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金屬材料表面納米化優(yōu)勢及主要方法

發(fā)布時(shí)間:2018-05-21 09:49:27

隨著納米材料研究的不斷深入與納米技術(shù)的發(fā)展,將表面改性與納米材料相結(jié)合來制備納米材料受到了人們的重視,其特點(diǎn)是通過提高材料表面性能來提高構(gòu)件服役性能。表面納米化技術(shù)被認(rèn)為是今后一段時(shí)間可將納米材料應(yīng)用于工程實(shí)際的最重要技術(shù)之一。

一、什么是納米材料

納米結(jié)構(gòu)材料是指結(jié)構(gòu)單元尺度(如多晶材料中的晶粒尺寸)在納米量級的材料,其顯著結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是含有大量晶界或其他界面,從而表現(xiàn)出一些與普通粗晶結(jié)構(gòu)材料截然不同的力學(xué)和物理化學(xué)性能。

納米結(jié)構(gòu)材料通常具有很高的強(qiáng)度和硬度,伴隨著強(qiáng)度和硬度的顯著提高,納米結(jié)構(gòu)材料的塑性和韌性顯著降低、加工硬化能力消失、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差,這些性能的惡化制約了納米結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。最新研究表明,通過對納米結(jié)構(gòu)的多級構(gòu)筑(表層納米材料)可以在有效克服納米結(jié)構(gòu)的性能缺點(diǎn)的同時(shí)發(fā)揮其性能優(yōu)勢。

二、表面納米化有哪些優(yōu)勢

1、硬度和強(qiáng)度的提升

晶粒大小與多晶金屬材料力學(xué)性能有密切的聯(lián)系。表面納米化使材料表面(和整體)的力學(xué)和化學(xué)性能得到不同程度的改善。表面納米晶層的硬度顯著提高,并隨著深度的增加而逐漸減??;與顯微組織未發(fā)生變化的心部相比,表面硬度可提高幾倍,表面以下亞微晶層的硬度也明顯增大。對于晶粒尺寸從幾到幾百微米的普通晶體材料,強(qiáng)度和硬度與晶粒尺寸的大小之間的關(guān)系,可以用傳統(tǒng)的Hall-Petch 關(guān)系來描述。

納米材料強(qiáng)度與晶粒尺寸大小之間的關(guān)系


左圖可見與未發(fā)生變化的心部組織比,表面硬度提高了兩倍以上。由納米晶層(從表面到約40μm 深度)到亞微晶層(40-80μm 深度),硬度逐漸減小,并趨于穩(wěn)定;從右 圖可見,硬度隨d-1/2 增大幾乎呈線性增加的。因此可以確定表面納米化對材料的強(qiáng)化有著一定的貢獻(xiàn),納米材料的硬度亦隨著晶粒尺寸的減小而增大。


2、摩擦磨損性能的改善

表面納米化有效提高了材料表面硬度,因此也有助于改善材料的摩擦磨損性能,由于機(jī)械加工處理引起的表面粗糙度的增加對材料的低載荷耐磨性產(chǎn)生不利的影響。隨著載荷的增加,未處理材料的磨損量急劇增大,而表面納米化材料的磨損量變化卻很小。


金屬材料表面納米化后的表面硬度


注:SMAT為某項(xiàng)表層納米化技術(shù)

(a)為低碳鋼表面納米化前后試樣的磨損量,可見在不同載荷下,納米晶組織的形成能夠改善材料的耐磨性;(b)圖是摩擦因數(shù)的變化,在任一載荷下,表面納米化試樣的表面摩擦系數(shù)都明顯低于原始試樣。可見表面納米化能夠明顯地提高高載荷下材料的耐摩擦磨損性能。

表面納米化后試樣摩擦磨損行為的提高主要源于兩方面的原因:一方面是因?yàn)榧{米晶具有高的強(qiáng)度和硬度,磨粒壓入表層的深度小,配副相對試樣表面運(yùn)動(dòng)的阻力較小,所以表面納米化試樣的磨損量均比原樣??;另一方面是因?yàn)楸砻婕{米晶組織能有效地抑制裂紋的萌生,而心部的粗晶組織又可以阻止裂紋的擴(kuò)展,因此在相同載荷下表面納米化試樣較原始粗晶試樣更難發(fā)生疲勞磨損。

3、表面化學(xué)活性增強(qiáng)

研究發(fā)現(xiàn),納米晶體材料(或者納米結(jié)構(gòu)材料)中原子的擴(kuò)散激活能更低,其相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)更高,這是由納米材料中晶界體積所占比例的提高引起的。盧柯院士研究組對純鐵進(jìn)行表面納米化處理后,進(jìn)行滲氮,發(fā)現(xiàn)滲氮?jiǎng)恿W(xué)條件明顯得到改善。在傳統(tǒng)的粗晶粒鐵中滲氮時(shí),晶格擴(kuò)散占主導(dǎo)地位,而在納米晶鐵中滲氮主要沿著晶界進(jìn)行,這是因?yàn)榫Ы绲募せ钅芨?。通過表面納米化,在表面納米層中形成了大量的儲能,在低溫下使?jié)B氮有足夠的驅(qū)動(dòng)力。


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納米化改變了材料表面的結(jié)構(gòu),有助于大幅度地提高材料表面化學(xué)元素的滲入濃度和深度。表面納米化為納米技術(shù)與有色金屬常規(guī)材料相結(jié)合提供了切實(shí)可行的途徑,巧妙地避開了制備塊體納米材料遇到的技術(shù)難題,將在工業(yè)中發(fā)揮巨大的開發(fā)應(yīng)用潛力。

三、金屬材料表面納米化主要方法


表面機(jī)械處理法是實(shí)現(xiàn)金屬材料表面納米化的一種主要方法。該方法在材料的表面重復(fù)作用外加載荷,使材料表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形來細(xì)化晶粒。常用的方法有:

    1)超聲噴丸技術(shù)。該技術(shù)是將大量的球形彈丸放置于一個(gè)U型容器中,容器的上部固定樣品,下部連接著振動(dòng)發(fā)生裝置,通過激發(fā)彈丸,高速碰撞試樣表面,使之產(chǎn)生強(qiáng)烈塑性變形,最終實(shí)現(xiàn)納米化。目前,超聲噴丸法已成功應(yīng)用于316L不銹鋼、低碳鋼等材料。

    2)超音速微粒轟擊技術(shù)。該技術(shù)利用氣-固雙相流作為載體,用超音速氣流(氣流速可達(dá)300~1200m/s)攜帶硬質(zhì)固體微粒以極高的動(dòng)能轟擊有色金屬表面使其產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形,將晶粒細(xì)化到納米量級。與其他方法相比較,該方法具有工作效率高,設(shè)備靈活性強(qiáng),固體微??苫厥罩貜?fù)使用,無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn),已成功對16MnR低合金鋼及0Cr18Ni9不銹鋼進(jìn)行了表面納米化處理。

    3)表面機(jī)械碾磨技術(shù)。該技術(shù)是依靠半球狀的刀具尖端以一定的速度在圓柱狀的試樣上旋轉(zhuǎn),同時(shí)沿著水平方向滑動(dòng),使金屬料料表面產(chǎn)生塑性變形區(qū),從而細(xì)化晶粒。該方法適合于在棒狀材料的表面制備納米-微米結(jié)構(gòu)梯度表面層,解決了棒材的加工問題。

    除了機(jī)械處理法之外如今金屬表面納米涂料逐漸成為新的方向和方法,通過在金屬表面涂覆一層超薄透明納米涂料,使金屬材料表面具有抗氧化防腐蝕防污防銹等性能,金屬表面納米涂層使得施工更簡單,表面納米化通過改變材料表面組織和結(jié)構(gòu),使得金屬材料的表面性能以致整個(gè)材料的綜合性能獲得顯著的提高。



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