机械研磨处理制备纳米结构金属材料的研究

机械研磨处理制备纳米结构金属材料的研究

在履行职能时，表面上存在劳、磨损、腐蚀等失败行为，这极大地限制了材料的应用和开发。由于这些失效现象与材料表面的结构和性能息息相关,因此,制造出具有高强度、高韧性的优异体性能并结合高耐腐蚀性和耐磨性的优异表面性能的新型材料,是当今金属材料研究生产的重中之重。纳米晶体材料是指晶粒尺寸在纳米量级(<100nm)的多晶材料,其比表面积非常高。但是由于传统制造技术的制约,纳米晶体材料在工业领域的应用进程缓慢。1999年,中国科学院卢柯院士提出了金属材料表面纳米化的新概念表面机械研磨处理(简称SMAT)技术即属于表面自身纳米化技术的一种,通过SMAT技术可以在金属材料表面制备出纳米晶体结构,同时提高金属材料表面部分的机械性能。本文介绍了SMAT技术的实施方法和纳米化机理,并对金属材料的改善作用进行了分析说明。1方向的重复撞击SMAT技术是一种先进的金属材料表面处理技术。此技术通过对材料表面进行高频高速、无特定方向的重复撞击,使材料表面的粗晶组织在外加载荷的作用下,在不同方向上产生强烈塑性变形并逐渐细化至纳米量级。已有的大量研究表明,在纯铁、钢及其他金属和合金上应用SMAT技术制备表面纳米晶层,可以提升金属材料表面的硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等多方面性能1.1机械研磨处理的机理SMAT技术是一种高效制备表面纳米结构晶层的方法。在SMAT处理过程中,先将待处理材料固定于研磨腔内,并在研磨腔内放置一定数量的直径为1~10mm的金属球;然后通过电机带动研磨腔进行往复运动,研磨腔内的金属球也随之发生随机、无固定方向的运动。其间,金属球在短时间内对待处理材料进行的高速不定向击打,即为机械研磨处理。采用SMAT技术对金属材料表面进行处理时,要求使用的金属球表面是光滑的,金属球的成分、尺寸和数量由被处理材料的成分、尺寸决定。处理中,所使用电机、研磨腔尺寸和金属球尺寸不同,金属球的运动速度也不同,约为1~20m/s。金属球对被处理材料施加的单次外力作用虽不足以使其发生强烈塑性变形,但高频、大量的作用累积,金属球对被处理材料的作用加权,将使其发生强烈的塑性变形。SMAT设备和处理过程中金属球撞击样品引起局部塑性变形的示意图1.2smat影响材料的因素SMAT技术主要工艺参数包括金属球撞击能量、频率和方向。大能量金属球有助于形成金属材料表面的塑性变形结构。提高金属球的撞击能量和频率,可以增加塑性变形层厚度。在采用SMAT技术处理时,金属球是以随机的运动方向对金属材料表面进行作用的,这种运动方式有助于在金属材料表面的不同方向上制造出小的塑性变形区域,并使材料整体的塑性变形呈现无取向分布。金属材料本身的特性会对SMAT技术的处理结果产生重要影响。金属材料的本质特性包括材料的层错能、晶体结构和取向等。金属材料的晶粒取向也会对SMAT技术的处理结果产生影响。在同样的外加载荷作用下,晶粒取向不同,其所能开动的滑移系数目不同,所能产生的位错及孪晶的数量和方向也不同。1.3smat的应用采用SMAT技术对金属材料表面进行处理,可以在材料的表面区域获得纳米晶体组织中国科学院金属研究所对纯铁材料进行SMAT处理并研究其性能。研究显示,经过60min的表面机械研磨处理,在纯铁材料表面获得了超过150μm深的强塑性变形层;材料表面的晶粒尺寸可细化至10nm,低于表面20μm处的晶粒尺寸可细化至100~200nm;原始粗晶纯铁和SMAT处理后纯铁样品在距外表面50μm左右深度的SEM照片采用SMAT技术对38CrMoAl2smat的纳米化机理采用SMAT技术可使金属材料表面晶粒细化至纳米量级。深入理解SMAT技术引起金属材料表面晶粒细化和纳米化的机理,对研究SMAT技术有着至关重要的意义。采用SMAT技术在粗晶金属材料表面制备纳米晶体组织主要涉及各种位错运动和晶界发展,而位错运动和晶界发展则与金属材料本身的晶格结构和层错能紧密相关。不同的金属材料具有不同的层错能2.1高层错能材料纯铁是一种常见的、具有高层错能的金属。纯铁晶粒为面心立方结构,层错能约为200MJ/m2.2低误能材料304不锈钢是常见的面心立方结构晶体,具有较低的层错能,约为16.8MJ/m2.3smat在纳米晶体组织不同于常见的立方晶系,钛晶粒为密排六方结构。由于钛的结构特殊,在经过SMAT处理以获得表面纳米晶体组织时,钛的晶粒细化机制与立方晶系金属不同。Zhu在详细的研究后发现,在纳米化时,粗晶钛是先产生孪晶组织3纳米晶粒材料采用SMAT技术对金属材料的表面进行改性处理,不仅可以在金属材料表面形成纳米晶粒和亚微米晶粒,伴随而生的大量晶界、位错和孪晶,为合金元素在基体金属材料中发生扩散和相变反应,提供了动力学和热力学方面的助力,同时也可以改善金属材料的各种性能。3.1smat在化学热处理过程中的应用化学热处理是一种常见的金属表面处理技术,其本质是合金元素向金属基体中的扩散,以及与金属元素发生的一系列反应。大量研究显示,对经过SMAT处理的金属基体进行化学热处理,可以显著提高合金元素在基体材料中的扩散动力及反应动力,并提升化学热处理后金属材料的性能。SMAT处理会提高N元素在纯铁中的扩散和相变动力。将纯铁材料进行SMAT处理后渗氮,在远低于常规温度(300℃)下即可得到氮化铁组织经过SMAT处理后,纯铁材料渗氮后的机械性能也可以得到明显的提升在对Cu进行SMAT处理后,Ni在铜基体中的扩散能力也会大幅度提升SMAT技术也可以显著增强AISI321不锈钢的渗氮能力和渗氮效果3.2改善smat材料SMAT技术通过在金属材料表面产生强塑性变形,达到将金属材料表面晶粒细化至纳米量级的目的。塑性变形在引起晶粒细化的同时,也带来了大量孪晶和位错,这些微观组织通过不同机制对金属材料本身的性能产生积极影响。SMAT技术可以增强TWIP钢的屈服强度在金属材料表面性能改进的其他方面,SMAT技术也展现出了优异的改进效果和良好的应用前景。C.Kavitha将SMAT技术应用于钢的锌系磷化处理中3.3纳米晶层外科手术通过SMAT技术在β-Ti表面制备纳米晶层,可使β-Ti样品的细胞功能和机械性能均得到极大提升,使具有表面纳米晶层的β-Ti成为外科手术中的理想植入物4材料表面缺陷SMAT技术是一种先进的金属材料表面组织处理技术。通过研磨球的高频率、高能量、无定向撞击,在金