金屬材料表面機械研磨技術機理及研究現狀

張輝，宮夢瑩（東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽110819）

金屬材料在服役過程中，表面經常發生諸如疲勞、磨損、腐蝕等失效行為，極大地限制了金屬材料的應用及發展。由于這些失效現象與材料表面的結構和性能息息相關，因此，制造出具有高強度、高韌性的優異體性能并結合高耐腐蝕性和耐磨性的優異表面性能的新型材料，是當今金屬材料研究生產的重中之重。

納米晶體材料是指晶粒尺寸在納米量級（＜100 nm）的多晶材料，其比表面積非常高。但是由于傳統制造技術的制約，納米晶體材料在工業領域的應用進程緩慢。1999年，中國科學院盧柯院士提出了金屬材料表面納米化的新概念[1]，即在金屬材料表面制備納米晶體，使材料表面獲得納米材料的優異性能，同時保證材料內部的晶體組織和性能不改變。目前，已經研究出了多種材料表面納米化的方式，根據形成機制的不同，可分為表面沉積納米化、表面自身納米化和混合納米化三種基本方式[1]。其中，表面自身納米化技術是指對材料表面進行處理，以獲得納米級表面結構，同時保留金屬材料的體性能。

表面機械研磨處理（簡稱SMAT）技術即屬于表面自身納米化技術的一種，通過SMAT技術可以在金屬材料表面制備出納米晶體結構，同時提高金屬材料表面部分的機械性能。本文介紹了SMAT技術的實施方法和納米化機理，并對金屬材料的改善作用進行了分析說明。

1 SMAT技術

SMAT技術是一種先進的金屬材料表面處理技術。此技術通過對材料表面進行高頻高速、無特定方向的重復撞擊，使材料表面的粗晶組織在外加載荷的作用下，在不同方向上產生強烈塑性變形并逐漸細化至納米量級。已有的大量研究表明，在純鐵、鋼及其他金屬和合金上應用SMAT技術制備表面納米晶層，可以提升金屬材料表面的硬度、韌性、耐磨性和耐腐蝕性等多方面性能[2-4]。

1.1 SMAT實施方法

SMAT技術是一種高效制備表面納米結構晶層的方法。在SMAT處理過程中，先將待處理材料固定于研磨腔內，并在研磨腔內放置一定數量的直徑為1～10 mm的金屬球；然后通過電機帶動研磨腔進行往復運動，研磨腔內的金屬球也隨之發生隨機、無固定方向的運動。其間，金屬球在短時間內對待處理材料進行的高速不定向擊打，即為機械研磨處理。采用SMAT技術對金屬材料表面進行處理時，要求使用的金屬球表面是光滑的，金屬球的成分、尺寸和數量由被處理材料的成分、尺寸決定。處理中，所使用電機、研磨腔尺寸和金屬球尺寸不同，金屬球的運動速度也不同，約為1～20 m/s。金屬球對被處理材料施加的單次外力作用雖不足以使其發生強烈塑性變形，但高頻、大量的作用累積，金屬球對被處理材料的作用加權，將使其發生強烈的塑性變形。SMAT設備和處理過程中金屬球撞擊樣品引起局部塑性變形的示意圖[1]分別見圖1、圖2，金屬球對被處理材料的每一次撞擊，都會引起被處理材料的高應變率塑性變形。

圖1 SMAT設備示意圖

圖2 金屬球撞擊樣品引起局部塑性變形的示意圖

1.2 SMAT影響因素

SMAT技術主要工藝參數包括金屬球撞擊能量、頻率和方向。大能量金屬球有助于形成金屬材料表面的塑性變形結構。提高金屬球的撞擊能量和頻率，可以增加塑性變形層厚度。在采用SMAT技術處理時，金屬球是以隨機的運動方向對金屬材料表面進行作用的，這種運動方式有助于在金屬材料表面的不同方向上制造出小的塑性變形區域，并使材料整體的塑性變形呈現無取向分布。

金屬材料本身的特性會對SMAT技術的處理結果產生重要影響。金屬材料的本質特性包括材料的層錯能、晶體結構和取向等。金屬材料的晶粒取向也會對SMAT技術的處理結果產生影響。在同樣的外加載荷作用下，晶粒取向不同，其所能開動的滑移系數目不同，所能產生的位錯及孿晶的數量和方向也不同。

1.3 SMAT處理效果

采用SMAT技術對金屬材料表面進行處理，可以在材料的表面區域獲得納米晶體組織[1]。

中國科學院金屬研究所對純鐵材料進行SMAT處理并研究其性能。研究顯示，經過60 min的表面機械研磨處理，在純鐵材料表面獲得了超過150 μm深的強塑性變形層；材料表面的晶粒尺寸可細化至10 nm，低于表面20 μm處的晶粒尺寸可細化至100～200 nm；原始粗晶純鐵和SMAT處理后純鐵樣品在距外表面50 μm左右深度的SEM 照片[5]如圖3所示。

采用 SMAT 技術對 38CrMoAl[6]、304[7]、316L[8]等鋼鐵材料以及其他金屬材料進行處理，也可以獲得與純鐵相似的表面納米晶體組織。法國研究人員T.Roland對316L不銹鋼進行SMAT處理，在使用直徑為2 mm和3 mm的不銹鋼球處理15 min后，獲得了深度為40 μm，晶粒尺寸為20 nm的納米晶體組織[9]。Wang等人對原始晶粒尺寸為200 μm 的純銅進行 SMAT 處理[10]，在使用 8 mm的不銹鋼球分別處理5 min和30 min后，在純銅表面獲得了納米晶體組織。Zhu等人對α-Ti表面進行SMAT處理，獲得了深達150 μm的表面納米晶體組織[2]。

圖3 距外表面50 μm左右深度的SEM照片

2 SMAT的納米化機理

采用SMAT技術可使金屬材料表面晶粒細化至納米量級。深入理解SMAT技術引起金屬材料表面晶粒細化和納米化的機理，對研究SMAT技術有著至關重要的意義。采用SMAT技術在粗晶金屬材料表面制備納米晶體組織主要涉及各種位錯運動和晶界發展，而位錯運動和晶界發展則與金屬材料本身的晶格結構和層錯能緊密相關。不同的金屬材料具有不同的層錯能[11-12]。大量研究顯示，具有高層錯能的材料，由SMAT處理引發納米化的主要機制，在于位錯墻和位錯胞的形成促進了亞晶界的形成；具有低層錯能的金屬材料，孿晶的形成是導致晶粒納米化的主要原因。

2.1 高層錯能材料

純鐵是一種常見的、具有高層錯能的金屬。純鐵晶粒為面心立方結構，層錯能約為200 MJ/m2。在SMAT處理過程中，純鐵材料表面晶粒納米化的主要機制[12]為：① 致密位錯墻及位錯纏結的發展；②致密位錯墻和位錯纏結向不同小傾角亞晶界的轉變；③亞晶界向高錯位晶界的演變。圖4所示即為純鐵在SMAT處理過程中晶粒細化機制的示意圖[13]。對于原始純鐵粗晶，SMAT處理引起的塑性應變激發了位錯活動，從而在（110）滑移面形成了致密的位錯墻，同時在極少數晶粒中形成位錯纏結。這種情況繼續發展的結果是位錯墻和位錯纏結將晶粒內部分隔成一個個獨立的位錯胞。在處理過程中，金屬球對純鐵表面的多角度、重復撞擊導致了晶粒內部滑移系統的改變，新舊位錯在相同或不同滑移系互相作用。隨后，致密的位錯墻和位錯纏結使原始粗晶內部生成亞晶粒。隨著塑性形變的發生，位錯墻和位錯纏結的發展，亞晶界逐漸轉變成小角度晶界。隨著應變的增多，更多的位錯在亞晶界處生成和湮滅，促使亞晶界處的自由能升高，晶界錯配程度增大。隨著樣品表面所產生的塑性應變的增加，晶粒被不斷細化。當位錯增值與湮滅的速率達到平衡時，晶粒尺寸則達到一個穩定的數值不再降低。

圖4 純鐵采用SMAT技術處理過程中晶粒細化機制的示意圖

2.2 低層錯能材料

304不銹鋼是常見的面心立方結構晶體，具有較低的層錯能，約為16.8 MJ/m2。經SMAT處理后，304不銹鋼晶粒細化的主要機制為：①平面位錯陣列與孿晶的形成；②亞晶的形成及馬氏體相變；③ 納米晶的形成[14]。不同于高層錯能晶體，低層錯能晶體中的不全位錯很難通過滑移形成位錯胞，但容易在{111}平面形成位錯陣列和孿晶。隨著各 {111}晶面上孿晶數量的增加和互相作用的增多，晶粒內的應變增大，原始的粗晶奧氏體被分為亞晶粒，同時發生應變誘發馬氏體相變，而這也促進了晶粒的進一步細化。最后，孿晶的交割及高應變促使納米級馬氏體晶粒的生成。同時，由于晶粒的旋轉和晶界的運動使得納米晶體組織中的晶粒呈隨機的無取向分布。

2.3 具有HCP結構的材料

不同于常見的立方晶系，鈦晶粒為密排六方結構。由于鈦的結構特殊，在經過SMAT處理以獲得表面納米晶體組織時，鈦的晶粒細化機制與立方晶系金屬不同。Zhu在詳細的研究后發現，在納米化時，粗晶鈦是先產生孿晶組織[2]，隨后在高應變的作用下，位錯發生滑移運動。具體的納米化機制為：① 孿晶大量形成后，不同滑移系的孿晶發生交割；② 位錯墻的形成；③ 位錯墻滑移并伴隨微帶的形核；④微帶亞分裂成低錯配角的區塊后，繼續分裂成高錯配角的多邊亞微米晶粒；⑤亞微米晶粒細化成無取向、隨機分布的納米晶粒。在最后的細化階段，旋轉式動態再結晶機制起主要作用。

3 SMAT在金屬材料表面改性方面研究現狀

采用SMAT技術對金屬材料的表面進行改性處理，不僅可以在金屬材料表面形成納米晶粒和亞微米晶粒，伴隨而生的大量晶界、位錯和孿晶，為合金元素在基體金屬材料中發生擴散和相變反應，提供了動力學和熱力學方面的助力，同時也可以改善金屬材料的各種性能。

3.1 改善金屬材料化學熱處理情況

化學熱處理是一種常見的金屬表面處理技術，其本質是合金元素向金屬基體中的擴散，以及與金屬元素發生的一系列反應。大量研究顯示，對經過SMAT處理的金屬基體進行化學熱處理，可以顯著提高合金元素在基體材料中的擴散動力及反應動力，并提升化學熱處理后金屬材料的性能。

SMAT處理會提高N元素在純鐵中的擴散和相變動力。將純鐵材料進行SMAT處理后滲氮，在遠低于常規溫度 （300℃）下即可得到氮化鐵組織[5]。純鐵經過SMAT處理得到表面納米晶層后，ε-Fe2-3N相可以在較低的溫度或氮勢下生成。在450℃、不同氮勢下，經SMAT處理后純鐵樣品滲氮結果的XRD曲線[16]如圖5所示。450℃下，在納米晶層中生成ε-Fe2-3N相的臨界氮勢約為5.34×10-3Pa-1/2，遠低于在粗晶中的臨界氮勢 8.79×10-3Pa-1/2。在相變動力學方面，當平均晶粒尺寸由100 μm降低至10 nm時，ε-Fe2-3N相的形核率可以提高104倍。經過SMAT處理的純鐵樣品表層晶粒已達到納米量級，這一區域的高比表面積使N在其中的擴散應以晶界擴散為主。由于N在晶界的擴散速率高于其在晶內的擴散速率，因此大量的晶界和缺陷成為了N原子的高速擴散通道。另一方面，缺陷及晶界處儲存的高自由能會增大N原子的擴散系數，同時提高氮化鐵在這些位置的形核驅動力，進而提高氮化鐵的形核率。

圖5 在450℃、不同氮勢下，經SMAT處理后純鐵樣品滲氮結果的XRD曲線

經過SMAT處理后，純鐵材料滲氮后的機械性能也可以得到明顯的提升[16-17]。圖6為粗晶純鐵樣品和經SMAT處理后純鐵樣品滲氮后硬度隨深度變化曲線[17]。從圖6中不難看出，SMAT處理后的純鐵樣品,表面滲氮層的硬度可達到6.1 GPa，這一結果遠高于常規粗晶純鐵表面滲氮層的硬度值（4.0 GPa）。 當深度超過 150 μm 時，SMAT 處理對純鐵滲氮后的硬度水平的影響才逐漸消失。在耐磨性能方面，經過SMAT處理的純鐵滲氮材料，其化合物層的摩擦系數為0.18～0.22；而未經SMAT處理的樣品在相同位置的摩擦系數為0.27，略高于前者。

圖6 SMAT處理前后純鐵樣品滲氮后硬度隨深度變化曲線

在對Cu進行SMAT處理后，Ni在銅基體中的擴散能力也會大幅度提升[9]。在110～165℃的溫度下，對經SMAT處理過的Cu進行滲Ni處理60 min。放射物示蹤結果顯示，在最表面的10 μm處，Ni在Cu中的有效擴散系數達到在普通Cu中的100倍。在30～50 μm深度處，Ni在Cu中的有效擴散系數最高可達在普通Cu中的104倍。分析表明，經SMAT處理過的純銅表面，可能是界面處存在的非平衡相，引起了Ni在Cu中擴散系數的提高；且其中的大角度晶界自由能較未經過處理的Cu多了30%，也促進了Ni在Cu中的擴散。

SMAT技術也可以顯著增強AISI 321不銹鋼的滲氮能力和滲氮效果[13]。對AISI 321奧氏體不銹鋼進行SMAT處理后，會在材料表面產生納米晶層[14]。隨后在400℃下對321不銹鋼用脈沖直流輝光等離子技術進行滲氮處理，即可獲得明顯的滲氮層。研究表明，表面機械研磨處理有助于AISI321不銹鋼的表面形成相對較厚的S相和擴散層。相對于未經過機械研磨處理的樣品，處理過的樣品在滲氮后的表面硬度、承受能力和韌性均有明顯提高，表面的耐磨性相較于未處理過的樣品提高了3～10倍。

3.2 改善金屬材料機械性能

SMAT技術通過在金屬材料表面產生強塑性變形，達到將金屬材料表面晶粒細化至納米量級的目的。塑性變形在引起晶粒細化的同時，也帶來了大量孿晶和位錯，這些微觀組織通過不同機制對金屬材料本身的性能產生積極影響。

SMAT技術可以增強TWIP鋼的屈服強度[18]。采用SMAT處理可在TWIP表面形成納米晶體結構，并使樣品表面的孿晶和位錯的密度升高。隨著深度的增加，晶粒尺寸增大，孿晶和位錯的密度則降低。納米晶粒、孿晶和位錯在TWIP鋼樣品表面形成硬質相區，該硬質相區的體積約占總樣品體積的15%。硬質相區中孿晶與孿晶、孿晶與位錯之間的交互作用，使TWIP鋼樣品在不損失延展性的前提下具有高的拉伸強度。Mei在研究SMAT處理對NiTi合金的作用時發現，經過SMAT處理后，NiTi合金樣品的楊氏模量顯著升高[19]。當晶粒尺寸細化至6 nm時，樣品的楊氏模量升高至85 GPa。分析表明，晶粒尺寸對楊氏模量的影響可能是由于SMAT處理抑制了應變誘導馬氏體相變造成的。

在金屬材料表面性能改進的其他方面，SMAT技術也展現出了優異的改進效果和良好的應用前景。C.Kavitha將SMAT技術應用于鋼的鋅系磷化處理中[20]，Tang將SMAT技術應用于制造汽車用能量吸收器中[21]，均取得了良好的成果。

3.3 改進金屬材料生物性能

通過SMAT技術在β-Ti表面制備納米晶層，可使β-Ti樣品的細胞功能和機械性能均得到極大提升，使具有表面納米晶層的β-Ti成為外科手術中的理想植入物[22]。Wen等人也將SMAT技術應用于各種鈦金屬及合金的研究中，并獲得了令人欣喜的成果[23]。可以預言，SMAT技術在材料表面性能改進方面的優勢將使SMAT技術在生物材料領域發揮極大的作用。

4 結論

SMAT技術是一種先進的金屬材料表面組織處理技術。通過研磨球的高頻率、高能量、無定向撞擊，在金屬材料表面引發強塑性變形，進而導致金屬材料表面晶粒細化，伴隨生成大量孿晶和位錯等缺陷。這種金屬材料表面的特殊結構通過不同機制對金屬材料表面性能起到提升和改進的作用，包括金屬材料的化學熱處理情況、機械性能和生物性能等，使SMAT技術在制備具有優異表面性能金屬材料領域擁有廣泛的前景。