3%無取向硅鋼薄板的表面納米化結(jié)構(gòu)與性能

莫成剛，劉 剛，劉金陽，武保林，左 良

(1.東北大學(xué) 研究院，沈陽 110819;2.沈陽航空航天大學(xué) 材料工程系，沈陽 110136)

3%無取向硅鋼薄板的表面納米化結(jié)構(gòu)與性能

莫成剛1，劉 剛1，劉金陽2，武保林2，左 良1

(1.東北大學(xué) 研究院，沈陽 110819;2.沈陽航空航天大學(xué) 材料工程系，沈陽 110136)

為了探索金屬薄板表面納米化制備方法，本工作選取3%無取向硅鋼熱軋板進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理(SMAT)和異步軋制 (CSR)，研究深度方向結(jié)構(gòu)和硬度的變化.結(jié)果表明:SMAT過程中，3%無取向硅鋼通過位錯(cuò)的演變，在表面形成了等軸狀、尺寸約為10 nm的、取向呈隨機(jī)分布的納米晶，納米晶層厚度約為20 μm;SMAT樣品經(jīng)過CSR后，表面的顯微組織基本不變，但納米晶層的厚度明顯減小;SMAT和CSR處理使表面硬度顯著提高 (約為85%).本工作表明，SMAT與CSR復(fù)合工藝可以制備大尺寸的、具有納米結(jié)構(gòu)表層的金屬薄板.

3%無取向硅鋼;表面機(jī)械研磨處理;異步軋制;組織演變;硬度;納米結(jié)構(gòu)表層

納米材料具有優(yōu)異的功能特性，而納米化已成為最大限度地開發(fā)材料性能潛力的有效途徑之一.自上世紀(jì)80年代以來，人們提出了多種納米材料制備方法，然而受嚴(yán)格的制備條件所限，現(xiàn)有的制備方法還難以獲得大尺寸的、實(shí)用的納米材料.實(shí)際應(yīng)用中，金屬材料的疲勞、磨損和腐蝕等失穩(wěn)多始于表面，若在材料表面制備出一定厚度的納米晶組織，即實(shí)現(xiàn)表面納米化［1，2］，就可以利用納米晶的優(yōu)異功能特性提高材料表面和整體的性能.

近年來，表面納米化研究進(jìn)展較快，人們相繼提出了多種表面納米化處理方法，例如表面機(jī)械研磨處理、超音速顆粒轟擊、超聲噴丸、氣動(dòng)噴丸和超聲表面滾壓沖擊等［2～6］.經(jīng)過上述方法處理后，金屬材料表面和整體的性能(如硬度、強(qiáng)度、疲勞、耐磨性和耐蝕性等)均得到了不同程度的提高［7～11］.然而，現(xiàn)有的方法多用于處理具有一定厚度的塊體材料，且由于彈丸的無序噴射，處理面普遍存在著粗糙度大的問題.對(duì)于工業(yè)上用量較大的金屬薄板/帶，還未見有效的表面納米化處理方法.

金屬薄板/帶是采用軋制技術(shù)生產(chǎn)的，若將表面納米化處理方法與軋制技術(shù)結(jié)合，即先對(duì)大厚度板材進(jìn)行表面納米化處理，再對(duì)其進(jìn)行冷軋，不僅有可能實(shí)現(xiàn)金屬薄板/帶的表面納米化，同時(shí)可以利用軋制來降低因表面納米化處理而增加的表面粗糙度.基于這種設(shè)想，本工作選取3%無取向硅鋼熱軋板進(jìn)行表面納米化處理，再采用具有軋制壓力小、產(chǎn)品精度高的異步軋制對(duì)其進(jìn)行冷軋，通過對(duì)板材不同深度的組織觀測和硬度分析，研究表層梯度結(jié)構(gòu)的演變過程及其對(duì)性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用厚度為2.2 mm的3%無取向硅鋼熱軋板.將板材切割成100 mm×50 mm×2.2 mm的樣品，在真空狀態(tài)下對(duì)樣品進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理(SMAT)，其設(shè)備原理圖如圖1所示.在密封容器內(nèi)放置球形彈丸，將樣品固定在上部，容器下部與振動(dòng)裝置相連，工作時(shí)彈丸與樣品表面頻繁碰撞，使樣品碰撞點(diǎn)附近發(fā)生局部變形，頻繁碰撞累積的高應(yīng)變可使材料表層細(xì)化至納米級(jí).SMAT參數(shù):彈丸直徑為8 mm，振動(dòng)頻率為50 Hz，處理時(shí)間為1 h.用CSR對(duì)SMAT樣品進(jìn)行冷軋，為了避免表層因剪切應(yīng)力作用而產(chǎn)生不對(duì)稱織構(gòu)，在軋制過程中保持相鄰道次之間剪切應(yīng)力作用方向相反，主要參數(shù)為:速比1.28，軋制道次8次，壓下量89%，薄帶最終厚度0.24 mm.

利用LEICA－DMI5000M型金相顯微鏡觀測樣品橫截面組織，浸蝕劑為4%HNO3酒精溶液.用PertPro PW3040/60型X射線衍射(XRD)儀對(duì)樣品表面進(jìn)行分析.用Philips－EM400透射電鏡(TEM)觀測SMAT和SMAT+CSR樣品不同深度的組織，TEM樣品的制備方法如下:由處理表面研磨至待測深度后，從背面研磨至30 μm厚度，再利用離子減薄法從背面進(jìn)行單側(cè)減薄，直至樣品穿孔為止.

用MVK－H3顯微硬度儀測量SMAT和SMAT+CSR樣品硬度沿深度的分布，測量載荷為10 g，加載時(shí)間為10 s，每個(gè)深度隨機(jī)選取10～15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，然后取平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 橫截面金相組織觀測

圖2為樣品橫截面金相組織.厚度為2.2 mm的3%無取向硅鋼熱軋板原始組織呈均勻的流線型.經(jīng)過SMAT之后，樣品表面附近塑性變形明顯增加，并沿深度方向遞減.再經(jīng)過壓下量為89%的CSR后，顯微組織仍呈流線型，但比較均勻.

2.2 表層XRD分析

圖3為樣品表面的XRD譜.原始樣品含有單一的α－Fe.經(jīng)過SMAT后，衍射峰顯著寬化，這主要是由于晶粒尺寸減小和微觀應(yīng)變?cè)龃笏?衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度與粉末衍射卡片接近，說明表面的晶粒取向已呈隨機(jī)分布.SMAT樣品再經(jīng)過CSR后，衍射峰寬度減小，同時(shí)200和112反射明顯增強(qiáng)，這主要是由于X射線具有一定的穿透深度，盡管表面已形成取向呈隨機(jī)分布的納米晶組織(見后續(xù)TEM觀測)，但表面以下卻出現(xiàn)了較強(qiáng)的{200}和{112}面織構(gòu).

2.3 不同深度組織TEM觀測

圖4為SMAT樣品距表面不同深度的TEM像及其對(duì)應(yīng)的選區(qū)電子衍射(SAED)花樣.經(jīng)過SMAT后，表面形成了等軸狀納米晶，平均晶粒尺寸約為10 nm，SAED上均勻的衍射環(huán)表明納米晶具有隨機(jī)取向，見圖4(a);在10 μm深度，顯微組織為等軸狀納米晶，晶粒尺寸范圍在10～20 nm之間，SAED上均勻的衍射環(huán)表明納米晶取向?yàn)殡S機(jī)分布，見圖4(b);在20 μm深度，晶粒尺寸為～100 nm，對(duì)應(yīng)的SAED由不均勻衍射環(huán)組成，表明晶粒之間存在中等到大角度取向差，見圖4 (c).在40 μm深度，顯微組織為亞微晶/位錯(cuò)胞，尺寸為～200 nm，SAED由拉長的衍射斑組成，表明亞微晶/位錯(cuò)胞之間具有小角度取向差，見圖4 (d).

圖3 樣品表面的XRD譜Fig.3 XRD patterns of the surface layer of different samples

圖4 SMAT樣品不同深度的TEM像和SAED，F(xiàn)ig.4 TEM images and corresponding SAEDs of the SMAT sample in different deepth

圖5為SMAT+CSR樣品表面和10 μm深度的TEM像及其對(duì)應(yīng)的SAED花樣.SMAT樣品經(jīng)過CSR后，表面為等軸狀納米晶，晶粒尺寸介于10～20 nm，對(duì)應(yīng)的SAED上為均勻的衍射環(huán)，表明納米晶具有隨機(jī)取向，見圖5(a);在10 μm深度，顯微組織為納米晶/亞微晶，晶粒尺寸為60～150 nm，對(duì)應(yīng)的SAED由呈環(huán)狀的衍射斑組成，表明納米晶/亞微晶之間具有中等角度取向差，見圖5(b).

TEM觀測結(jié)果表明，SMAT可以在3%無取向硅鋼熱軋板中誘發(fā)表面納米化，在深度方向形成晶粒尺寸逐漸增大的梯度結(jié)構(gòu)，其中納米晶層的厚度約為20 μm.圖4(c)的顯微組織中存在著高密度的位錯(cuò)，由此可以確定晶粒細(xì)化是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，這與工業(yè)純鐵完全相同［12］.

將圖4和5對(duì)比可以看出，SMAT樣品和SMAT+CSR樣品表面顯微組織基本相同;但在10 μm深度，SMAT樣品的晶粒尺寸為～20 nm，而SMAT+CSR樣品卻為60～150 nm，說明CSR可以使SMAT樣品表面納米晶組織保留下來，但會(huì)使梯度結(jié)構(gòu)層的厚度減小，這一結(jié)果也可由表面XRD譜驗(yàn)證.由圖3可見，SMAT樣品表面XRD衍射峰發(fā)生寬化，這主要?dú)w因于晶粒尺寸減小和微觀應(yīng)變?cè)龃?經(jīng)過CSR后，盡管表面晶粒尺寸基本不變，但由于X射線具有一定的穿透深度，深度方向晶粒尺寸的急劇增大導(dǎo)致了衍射峰寬度的減小.

圖5 SMAT+CSR樣品不同深度的TEM像和SAEDFig.5 TEM images and corresponding SAEDs of the SMAT+CSR sample in different deepth

2.4 硬度沿深度的分布

圖6為顯微硬度沿深度的變化.經(jīng)過SMAT和SMAT+CSR處理后，樣品表面硬度均明顯增加(分別522 HV和505 HV)，與處理前的樣品相比，表面硬度提高約85%;隨著深度的增加，硬度逐漸減小，從而形成了梯度變化層，其中SMAT樣品梯度層厚度約為120 μm，而SMAT+CSR樣品約為80 μm.

將組織與硬度進(jìn)行對(duì)比可以看出，SMAT樣品CSR前后的表面硬度接近，這主要是由于SMAT樣品表面組織并未因CSR而發(fā)生明顯的變化.值得注意的是，SMAT樣品經(jīng)過壓下量為89%的CSR后，其梯度結(jié)構(gòu)層厚度(約為120 μm)并未按比例減小至約10 μm，而是達(dá)到80 μm左右，表明CSR過程中，在軋制力使板材發(fā)生整體晶粒細(xì)化的基礎(chǔ)上，因軋輥轉(zhuǎn)速不同而產(chǎn)生的沿深度方向遞減的剪切應(yīng)力可以使板材表面附近晶粒發(fā)生進(jìn)一步的細(xì)化，從而形成梯度結(jié)構(gòu).表面硬度的提高與晶粒細(xì)化和加工硬化有關(guān).大量單相材料表面納米化研究表明，硬度與d－1/2(d為晶粒尺寸)之間滿足Hall－Petch關(guān)系［2，6，7］，因此具有單一α－Fe相的3%無取向硅鋼表面硬度的提高主要可歸因于晶粒細(xì)化.

本工作表明，將SMAT與CSR結(jié)合可以使大尺寸的金屬薄板/帶實(shí)現(xiàn)表面納米化.其潛在的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在兩方面:其一是利用表面組織優(yōu)化提高金屬薄板/帶表面和整體的性能，其二是實(shí)現(xiàn)低溫化學(xué)處理，例如由SMAT/CSR制備的3%無取向硅鋼薄板可以使?jié)B硅溫度由～1 200℃降低到～650℃，滲劑中腐蝕性較強(qiáng)的鹵化物(作為催化劑)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))由～35%降低至～3%［13］.

圖6 顯微硬度沿深度的變化Fig.6 Hardness variation along depth of the samples

3 結(jié)論

(1)3%無取向硅鋼經(jīng)過SMAT后可以實(shí)現(xiàn)表面納米化，在表面形成等軸狀、尺寸約為10 nm的、取向呈隨機(jī)分布的納米晶組織，納米晶層厚度約為20 μm.

(2)SMAT樣品經(jīng)過CSR后，表面的顯微組織基本不變，但納米晶層的厚度明顯減小.

(3)SMAT和CSR使表面硬度顯著提高(約為85%).

［1］Lu K，Lu J.Surface nanocrystallization(SNC)of metallic materials–presentation of the concept behind a new approach［J］.J Mater Sci Technol，1999，15(3):193－197.

［2］Lu K，Lu J.Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition［J］.Mater Sci Eng，2004，A375－377:38－45.

［3］Liu G，Lu J，Lu K.Surface nanocrystalization of 316L stainless steel induced by ultrasonic shot peening［J］.Mater Sci Eng，2000，A286:91－95.

［4］UmemotoM，TodakaY，TsuchiyaK.Formation of nanocrystalline structure in steels by air blast shot peening［J］.Mater Trans，2003，44(7):1488－1493.

［5］Mordyuk B N，Prokopenko G I.Fatigue life improvement of α－titanium by novel ultrasonically assisted technique［J］.Mater Sci Eng，2006，A437:396－405.

［6］Wang T，Wang D P，Liu G，et al.Investigations on the nanocrystallization of 40Cr using ultrasonic surface rolling processing［J］.Appl Surf Sci，2008，255:1824－1829.

［7］Yong X P，Liu G，Lu K，et al.Characterization and properties of nanostructured surface layer in a low carbon steel subjected to surface mechanical attrition［J］.J Mater Sci Technol，2003，19(1):1－4.

［8］Roland T，Retraint D，Lu K，et al.Enhanced mechanical behavior of a nanocrystallised stainless steel and its thermal stability［J］.Mater Sci Eng，2007，A445－446:281－288.

［9］Li D，Chen H N，Xua H.The effect of nanostructured surface layer on the fatigue behaviors of a carbon steel［J］.Appl Surf Sci，2009，255:3811－3816.

［10］Wang Z B，Tao N R，Li S，et al.Effect of surface nanocrystallization on friction and wear properties in low carbon steel［J］.Mater Sci Eng，2003，A352:144－149.

［11］Mordyuka B N，Prokopenko G I，Vasylyev M A，et al.Effect of structure vvolution induced by ultrasonic peening on the corrosion behavior of AISI－321 stainless steel［J］.Mater Sci Eng，2007，A458:253－261.

［12］Tao N R，Wang Z B，Tong W P，et al.An investigation of surface nanocrystallization mechanism in Fe induced by surface mechanical attrition treatment［J］.Acta Mater，2002，50: 4603－4616.

［13］莫成剛，黃凱，劉剛，等.表面機(jī)械研磨/異步軋制無取向硅鋼薄帶的滲硅行為［J］.材料與冶金學(xué)報(bào)，2011，10:216－219.

(Mo C G，Huang K，Liu G，et al.Siliconizing behavior in non－grain oriented silicon steel after surface mechanical attrition treatment and cross shear rolling［J］.J Mater Metall，2011，10:216－219.)

Characterization and property of nanostructured surface layer of 3%non－oriented silicon steel thin sheet

MO Cheng-gang1，LIU Gang1，LIU Jin-yang2，WU Bao-lin2，ZUO Liang1

(1.Research Academy，Northeastern University，Shenyang 110819，China.2.Department of Materials Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China.)

In order to synthesize nanostructuraed surface layer on thin metal sheet，a 3%non－oriented silicon steel was selected to be treated by means of surface mechanical attrition treatment(SMAT)followed by cross－shear rolling (CSR).The microstructural evolution and hardness variation along the depth was investigated by using different techniques.Experimental evidences show that:after the SMAT，equiaxed nanocrystallines with random orientations can be obtained in the surface layer due to the dislocation activities，where the grain size is about 10 nm，and the thickness of the nanostructured surface layer is about 20 μm;After the CSR，the microstructure in the top surface layer remains unchanged，however the thickness of the nanostructured surface layer reduces significantly;The microhardness of top nanostructured surface layer is enhanced obviously compared with that of the untreated sample.This work shows that it is available to synthesize nanostructured surface layer on large－dimensional thin sheet of the metallic materials by using the SMAT followed by the CSR.

3% non－oriented silicon steel;surface mechanical attrition treatment;cross－shear rolling; microstructural evolution;microhardness;nanostructured surface layer

TG 142.71

A

1671-6620(2012)01-0043-04

2011-10.

國家自然科學(xué)基金資助 (No.50571095).

莫成剛 (1978—)，男，東北大學(xué)博士生，E－mail:mo_cg119@126.com;劉剛 (1963—)，男，東北大學(xué)教授，E－mail:gliu@mail.neu.edu.cn.