金屬材料表面納米化研究現狀

張瀚文

摘 要：材料的組織結構決定著材料的性能。 自 20 世紀80 年代初 HGleiter 等人首次用惰性氣體冷凝法制備出納米金屬粒子并經原位加壓成型獲得納米材料以來，人們對納米材料和其制備技術的研究進行了不斷的探索。納米材料具有特殊的組織和一系列優良的力學性能及物理化學性能， 已經成為材料研究的熱門。 就目前而言，大塊體金屬材料的整體納米化制備技術尚不成熟，難以進行工業化的大批量生產。

關鍵詞：表面納米化 制備方法 顯微組織特征 使役性能

1表面納米化的制備方法

目前金屬材料表面納米化主要有三種基本方法：表面涂層或沉積、表面自納米化及混合方式。 表面涂層或沉積是將已制備好具有納米尺度的顆粒固 結在材料的表面，形成一個與基體結構成分相同（或不同）的表層。處理后納米表層晶粒大小比較均勻且整體外形尺寸有所增加；常用的方法有 CVD、PVD、濺射、電鍍及電解沉積等；實現表層納米晶粒與基體的牢固結合并抑制納米晶粒長大是整個工藝的關鍵。 表面自納米化是采用非平衡處理的方法增加材料表面的自由能， 使表面粗晶組織逐漸細化至納米量級。 處理后晶粒組織及尺寸沿深度方向呈梯度變化，外形尺寸基本不變。常用的幾種方法有表面機械研磨處理法（SMAT）、超聲噴丸法、凸輪滾壓法、超音速微粒轟擊法（SFPB）等。 混合方式是將表面納米化技術與化學處理相結合， 形成與基體成分不同的固溶體或化合物，如 20CrMo 合金鋼、低碳鋼等在表面研磨處理后進行低溫滲氮等。

三種處理方式中， 表面自納米化技術具有操作簡單且實用， 設備投資少的獨特優點。

2表面自納米化機理

目前， 對表面自納米化的研究主要集中在往復塑性變形法， 其基本原理如下： 利用載荷的重復作用， 使金屬材料表面粗晶組織產生不同方向的強塑性變形，以產生高密度的晶體缺陷（例如位錯、孿晶、大角度晶界等），這些缺陷相互作用，不斷地湮沒和重組，使晶粒逐漸細化至納米量級。表面自納米化機理跟金屬晶體結構和層錯能的大小有著密切的關系。 一般體心立方和中高層錯能的面心立方金屬晶體主要通過位錯的不斷增值和相互作用， 經歷了由大晶粒晶界-亞晶界-小晶粒晶界的演變，最終達到增值速率與湮沒速率的平衡而細化至納米量級。 如工業純鐵在高能噴丸表面自納米化過程中，晶粒的納米化過程就是通過位錯分割的方式演變而成的。對于低層錯能和含有亞穩相的金屬而言，孿晶的生長驅動力較大。 首先在表面位錯的作用下形成了單系孿晶，隨著作用時間的延長和作用次數的增多，單系孿晶逐漸演變成多系孿晶，多系孿晶和相變馬氏體的相互交割而使晶粒尺寸不斷減小， 最終細化至納米量級。 如 AISI304 不銹鋼經表面機械研磨處理實現表面自納米化就是這一種納米化機理的典型。

3表面納米化對材料使役性能的影響

3.1力學性能

材料強度和硬度與晶粒尺寸之間滿足 Hall-Petch關系。 金屬材料經表面自納米化處理后，表面強度和硬度會顯著提高，并隨著深度的增加，逐漸降低至與心部原始晶粒相同。此外，納米化過程中發生的相變或第二相的存在也促進了表面強度和硬度的增加。 吳建軍等采用快速多重旋轉碾壓設備

（FMRR）對 1Cr17 不銹鋼進行表面納米化處理。結果表明： 表面納米化處理后表層獲得了約為 50 um 厚的強烈塑變層，該層平均晶粒尺寸約為 20 nm，晶粒大小隨深度呈梯度變化；隨處理時間的延長，變形層厚度變大，但表層的晶粒尺寸變化不大；與未處理試樣的表面顯微硬度（190 HV）相比， 表面處理 30 min 的試樣表面硬度增加至 270 HV，處理 60 min 的試樣表面硬度增加至 310 HV。

對于大多數超細晶金屬材料， 強度和硬度的提高會伴隨著韌性和塑性的降低， 這是由于高密度的晶界數量分割了晶粒中位錯的連續性， 阻礙了位錯的滑移發展[14]。 金屬材料經表面納米化處理后，由于晶粒大小隨深度呈梯度變化， 故材料整體韌塑性降低的幅度不明顯。 Liu 等采用 SMAT 法對 1.5 mm 厚度低碳鋼板材進行表面納米化處理后發現， 材料的整體屈服強度提高約 35 %，而伸長率只下降 4%。可見，表面納米強化層能夠提高材料的整體強度，同時又不明顯地降低材料的韌性和塑性。 少部分超細晶金屬材料韌塑性變化趨勢與之相反。 如 LA91合金板表面納米化后， 抗拉強度比未處理時提高了10%，伸長率提高了 53%，綜合力學性能得到提升。

3.2抗疲勞性

金屬表面自納米化后表層的晶界處、 第二相夾雜物或滑移帶相對減少， 減少了導致疲勞裂紋產生的應力集中源。另一方面，細化的晶粒相當于減小了滑移的平均距離， 即分散了位錯塞積造成的應力集中，提高了材料的滑移抗力，有效抑制了微裂紋的萌生與擴展。 表面殘余應力在一定程度上也有效抑制了疲勞裂紋的萌生， 心部粗晶組織又可以阻止裂紋擴展，對其疲勞壽命的提高起到了非常重要的作用。表面粗糙度的增加可能會使疲勞壽命有所降低，但相對影響較小。辛素敏等采用由超聲噴丸納米化技術對316L 不銹鋼試樣進行了表面納米化處理，并研究了表面納米化對其抗疲勞性能的影響，得出以下結論：

①超聲噴丸表面納米化使表面晶粒細化成等軸、取向隨機、晶粒尺寸為 15～20 nm 的納米晶，由奧氏體和馬氏體兩相組成， 說明處理過程中伴隨了馬氏體相變的發生；

② 噴丸后是噴丸前疲勞壽命的1.29～1.45 倍；

③超聲噴丸后樣品的疲勞裂紋主要產生在試樣次表面 60～80 μm 深度過渡變形層的氣孔或夾雜處；

④納米層顯微組織結構的改變和殘余壓應力直接促進了 316L 不銹鋼疲勞壽命的提高；

⑤噴丸處理表面納米化的材料的屈服強度與抗拉強度均得到了顯著提高，對抗疲勞更有利。

5結論與展望

金屬表面自納米化的過程中， 不同晶體結構的金屬材料納米化機理存在一些差異。 通常體心立方的材料，納米化行為主要取決于位錯的發展變化；而面心立方的材料，除了位錯作用外，還可能受到孿生和層錯的影響。金屬經表面納米化處理后能明顯提高金屬材料及其零部件表面的強度、硬度、抗疲勞、耐磨性及耐蝕性等。將表面納米化技術與其他表面處理相結合，如電鍍、噴涂等，可開發出高性能的新型材料。將表面自納米化技術與化學處理相結合，能為制備高性能的復相表層提供一條新途徑。 此外，表面自納米化技術在異種金屬材料的擴散焊接中也有很大的應 用潛力。 目前，人們對表面納米化的研究處于初步階段，若要投入生產實際應用，還需要對表面納米化的微觀機理和動力學以及對組織的影響做進一步研究， 以研制出適用于工業生產的表面自納米化設備。

參考文獻：

何忠治.電工鋼（上冊）[M].北京：冶金工業出版社，1997