（固体力学专业论文）316L不锈钢表面纳米化后的低周疲劳性能研究.pdf

贵州大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 纳米晶体材料具有独特的结构特征( 晶粒尺寸很小，界面所占比例高) ，使其具有一系列优异的 力学及物理化学性能，利用纳米金属材料的优异性能对传统工程金属材料进行结构改良，将可能提 高工程材料的综合力学性能及服役寿命。众所周知，材料在使用过程中所受始疲劳破坯，在大多数 情况下是从材料的表面开始或受材料表面性能控制，如果在材料的表面制备出一定厚度性能优异的 纳米结构表层，即实现表面纳米化，就可以通过表面组织佳能的优化来提高材科的综合力学性能及 环境服役行为。近年来，表面纳米化已引起国内外学者的广泛关注，被认为是今后几年内纳米材料 研究领域最有可能取得实际应用的技术之一。目前表面纳米化的研究还处于起步阶段，国内外学者 对低炭钢、铝合金、工业纯钛等金属材料表面纳米化的相关性能( 如力学性能、摩擦磨损性能、抗 腐蚀性能等) 做了较多的研究工作，但目前对材料表面纳米化的疲劳性能研究工作还很少。 本文在中国科学院金属研究所刘剐等通过利用x 射线衍射( x r d ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 、 透射电镜( t e m ) 等测试技术对超声喷丸诱导的3 1 6 l 不锈钢表面纳米化后样品的微观结构特征进 行测试分析的基础上对表面纳米化的微观机理进行了迸一步的探讨；同时，采用经超声赜丸处理 1 6 分钟后在表面已形成了纳米晶组织的3 1 6 l 不锈钢试样和未表面处理的3 1 6 l 不锈钢试样为实验材 料，通过对比拉拉疲劳试验，运用数理统计学的方法分析研究了表面纳米化处理对3 1 6 l 不锈钢的疲 劳性能的影响，并就表面纳米化对疲劳性能的影响机理进行了初步分析探讨。 研究结果表明，超声喷丸表面纳米化处理可以有效地提高3 1 6 l 不锈钢的疲劳寿命，有9 5 的把 握说，经1 6 分钟超声喷丸表面纳米化处理的3 1 6 l 不锈钢板的中值疲劳寿命是原始状态来表面纳米 化处理钢板的中值疲劳寿命的1 0 9 1 6 2 倍。对其影响机理分析认为：超声喷丸处理在表面所形成的 残余压应力对其疲劳寿命的提高起到了非常重要的作用：晶粒细化的纳米强化表层对提高材料的滑 移抗力，阻碍微裂纹的扩展和联接，延长疲劳寿命也起了重要的作用；超声喷丸处理后，表面粗糙 度的增加对疲劳寿命有一定的降低，但其影响程度要小于残余压应力和纳米强化层对疲劳寿命的提 高；通过对疲劳断r 7 的扫描电镜观察，分析疲劳断裂行为，认为表面纳米强化层对抑制疲劳裂纹扩 展，提高疲劳寿命起到一定的作用。 关键词：表面纳米化，超声喷丸，3 1 6 l 不锈钢，低周疲劳性能 塞丛查堂堡主堂垡笙苎垒里! 里塑 n a n o e r y s t a l l i n e ( n c ) m a t e r i a l s ，a sk e ym a t e r i a l so ft h i sc e n t u r y , h a v eb e e nd e v e l o p e dm o r er a p i d l yi n t h ep a s td e c a d e s t h e s em a t e r i a l se x h i b i tu n i q u ep r o p e h i e so v e rt h e i rc o a r s e - g r a i n e dp o l y c r y s t a l l i n e c o u n t e r p a r t sf o rt h e ru l t r a - f a eg r a i n sa n du g hd e n s i t yo fi n t e r f a c e , 啦e r e f o r et h e ya r ee x p e c t e dt op m , d ea p r a c t i c a la p p r o a c hf o rd e v e l o p i n gn e wm e t a lm a t e r i a l s i no r d e rt oe x p l o r et h eu n u s u a ls t r u c t u r e p r o p e r t y 、r e l a t i o n s h i pi nn a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l sa n dt om a k eu s eo fn a n o c r y s t a l l i z a t i o nt oi m p r o v et h ep r o p e r t i e s a n db e h a v i o ro fe n g i n e e r i n gm a t e r i a l s m o r ea n dm o r er e s e a r c ha c t i v i t i e sh a v eb e e nc o n c e n t r a t e do nb u l l 【 n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s u pt on o w , av a r i e t yo fs y n t h e s i st e c h n i q u e sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rp r o d u c i n g b u l kn a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s h o w e v e r , d i f f i c u l t i e ss t i l le x i s ti nf o r m i n g i d e a l s a m p l e sr i e f r e eo f p o r o s i t ya n dc o n t a m i n a t i o n ，l a r g ed i m e n s i o n s ，e t c ) ，t h a t a r eo b s t a c l e sf o rt h ei n v e s t i g a t i o n sa n d a p p f i c a t i o n s o f n c m a t e r i a l s a c t u a l l y , t h em a j o r i t yo ff a i l u r e so fe n g i n e e r i n gm a t e r i a l sa r ev e r ys e n s i t i v et ot h e s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft h em a t e r i a ls u r f a c e ，a n di nm o s tc a s e sm a t e r i a lf a i l u r e so c c u ro ot h es u r f a c e t h e r e f o r e , o p t i m i z a t i o no ft h e s u r f a c es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sm a ye f f e c t i v e l ye n h a n c et h eg l o b a lb e h a v i o ro f m a t e r i a l s w i t hi n c r e a s i n ge v i d e n c eo fn o v e lp r o p e r t i e si nn cm a t e r i a l s ，i ti sr e a s o n a b l et os p e c u l a t et o s i g n i f i c a n t l yi m p r o v eo v e r a l lp r o p e r t i e sa n db e h a v i o r so fm a t e r i a l st h r o u g ht h es u r f a c em o d i f i c a t i o nb y g e n e r a t i o no fan a n o s t r u c t u r e ds u r f a c el a y e r , i e s u r f a c en a n o c r y s t a l l i z a t i d n ( s n c ) s n ci se x p e c t e dt o g r e a t l ye n h a n c et h es u r f a c ep r o p e n yw i t h o u tc h a n g i n gt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n sa n ds h a p eo fm a t e r i a l s i t i sa l s oaf l e x i b l ea p p r o a c ht or e a l i z es p e c i f i cs t r u c t u r ep r o p e r t yr e q u i r e m e n t sl o c a l i z e da tt h es u r f a c eo f m a t e r i a l s m o s to fc o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a ls u r f a c et r e a t m e n t sm i g h tb ep o t e n t i a l l yu s e df o rt h es n c ，a m o n g t h e mu l t r a s o n i cs h o tp e e n i n g ( u s s p ) i sc o n s i d e r e dt ob eap r o m i s i n gp r o c e s st or a p i d l ya n de f f e c t i v e l y r e a l i z et h es n c u pt on o w , t h eu s ph a sb e e nu t i l i z e da sap r e s t r e s ss u r f a c et r e a t m e n tf o rm e c h a n i c a l c o m p o n e n t s h o w e v e r , d e t a i l e di n v e s t i g a t i o n so ni t se f f e c t so nt h ef a t i g u ep r o p e r t i e sr e m a i no p e n i nt h i sw o r k ，a3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e lt r e a t e db yu s s pw a ss e l e c t e dt db es t u d i e d t h em i c r o s t r u c t u r a l e v o l u t i o nw a sc h a r a c t e r i z e db ym e a n so fd i f f e r e n tt e c h n i q u e s ，a n dt h eg r a i nr e f i n e m e n ta n dt h ed e f o r m a t i o n b e h a v i o r s w e r ea n a l y z e d ，i na d d i t i o n ，e f f e c t o f s u r f a c e n a n o e r y s t a l l i z a t i o n o n t h e f a t i g u e p r o p e f l i e s o f 3 1 6 l s t a i n l e s ss t e e li n d u c e db yu s s pw a sa l s or e s e a r c h e d t h er e s u l t sa l s o i n d i c a t et h a tt h en a f l o - s t r u c t u r e dl a y e ro nt h es u r f a c eh a sh i g hr e s i s t a n c et ot h e i 塞塑查堂堡主兰垡丝苎 竺! 坐里 f a t i g u e - c r a c k i n i t i a t i o n ，a n d t h e i n t e r i o r c o a eg r a i nc a r lr e t a r d t h eg r o w t ho f f a g u ec r a c k s ，b o t ho f w h i c h e v i d e n t l yi m p r o v e dt h e 伽i 9 1 l e l i v e so ft h es p e c i m e n s r e s i d u a l c o m p r e s s i v es t r e s sm a k e sg r e a t c o n t r i b u t i o n t o t h e i m p r o v e m e n to f t h e f a “g u ep r 6 p c r t i e so f 3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e l k e yw o m s ：s u d a c , n a n o r r y s t a l l i z a t i o n ，u l t m s o n i cs h o tp e e n i n gl r e a t m e n i ，3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e l 。i n w c y c l ef a t i g u ep r o p e r t i e s - i i 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 _ 1 前言 第一章绪论 纳米晶体材料由于具有独特的结构特征( 晶粒尺寸很小，界面所占比例高) ，及一系列优异的力 学及化学性能i 】j ，因此成为近二十年来各国学者研究豹热点。众所周妇，材料在使用过程中所受的 破坏在大多数情况下是从材料的表面开始或受材料表面性能控制，如果在材料的表面制各出一定厚 度性能优异的纳米结构表层，即实现表面纳米化f 2 j 。就可以通过表面组织性能的优化来提高材料的 综合力学性能及环境服役行为，有效地实现材料结构功能一体化设计为传统工程金属材料赋予高 性能和多功能，从而为纳米技术在工程材料上的应用提供可行方案。 但是，目前表面纳米化的研究还处于起步阶段。国内外学者对低炭钢叫l 、3 1 6 l 不锈钢1 6 1 、铝合 金1 7 1 、工业纯钛f 8 】、纯铁【】、镍基高温合金【1 0 i 等金属材料表面纳米化的相关性能( 如强度 1 0 - 1 1 1 、硬度 1 0 - 1 3 | 、耐摩性1 4 j l l 4 1 、耐蚀性1 1 5 j 等) 做了较多的研究工作，但目前对材料表面绌米化的疲劳性能研究 工作还很少。疲劳是一种非常普遍的现象，材料的疲劳破坏是构件失效的主要形式之一。因此，研 究材料表面纳米化的疲劳性能无疑工程实际应用上有较大的理论参考价值和实用价值。同时也有利 于开展对纳米材料的一些其它性能研究。 1 2 材料的表面纳米化 材料的组织结构直接影响着材料的使用性能，为了满足服役环境对材料性能的特殊要求， 人们提出了多种表面改性技术，如喷丸、电镀、喷涂、气相沉积( p v d ，c v d ) 、激光处理、 电子束处理和表面化学处理等，这些表面工程技术能够制备出优于本体材料性能的表面功能薄 层。赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。这层表面材料与制作部件的 整体材料相比，厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能。 纳米材料具有独特的结构和优异的性能，引起众多材料科学家的广泛兴趣，对其进行了深 入的研究。迄今为止。己发展出多种纳米材料制备技术，如超细粉末固化法、电化学沉积法、 非晶晶化法、机械研磨法和强烈塑性变形法等，但由于制备工艺复杂，生产成本高和材料外形， 尺寸有限，内部存在界面污染、孔隙类缺陷多等因素的制约，现有的制各技术至今未能在三维 块状金属材料上取得实际应用。 众所周知，在工程实际应用中，材料的失效多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和 磨损性能对材料的表面结构非常敏感，因此只要在材料的表面制各出一定厚度的纳米结构表 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 层，就能够通过对表面组织结构和性能的优化来提高材料的整体力学性能和环境服役能力。 1 9 9 9 年卢柯教授、吕坚教授等提出了金属材料表面纳米化的概念【2 】即通过超声喷丸处理，将 传统材料的表层晶粒细化至纳米量级，而基体仍保持原粗晶状态。表面纳米化材料的晶粒细化 沿厚度方向呈梯度变化，不会出现一般表面处理中的所存在的剥层和分离现象。 最近，由于表面纳米化技术在工业应用上不存在明显的障碍，以及对于提高材料的强度、 抗蚀、耐磨性的显著效果材料的表面纳米化技术已引起国际同行的广泛关注，被认为是今后 几年内纳米材料研究领域最有可能取得实际应用的技术之一。 1 2 1 表面纳米化的制备方法 根据纳米材料的形成机制，在块体粗晶材料上获锝纳米结构表层主要有三种基本方式【1 6 】： 表面涂层或沉积纳米化、表面自身纳米化和混合纳米化。在表面自身纳米化中又有表面机械处 理和非平衡热力学法。如图1 - 1 。 ( a )( b )( c ) 图l 一1 表面纳米化的3 种基本方式n 6 1 ( a ) 表面涂层或沉积纳米化( b ) 表面自身纳米化 ( c ) 混合纳米化 f i g 1 1 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no ft h r e et y p e so fs u r f a c en a n o c r y s t a l l i z a l i o n | 16 】s u l f f a c e c o a t i n go rd e p o s i t i o n ( b ) s u r f a c es e l f - n a n o c r y s t a l l i z a t i o n ( c ) h y b r i ds u r f a c en a n o c r y s t a l l i z a t i o n ( i ) 表面涂层或沉积纳米化 首先制各出具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒固结在材料的表面，如图i - i ( a ) 所示， 在材料上形成一个与基体化学成分相同( 或不同) 的纳米结构表层。这种材料的主要特征是： 纳米结构表层内的晶粒大小比较均匀，表层与基体之间存在着明显的界面，材料的外形尺寸与 处理前相比有所增加。许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发、应用的潜力，如p v d ，c v d ， 溅射、电镀和电解沉积等。通过工艺参数的调节可以控制纳米结构表层的厚度和纳米晶粒的尺 寸。这种类型主要应该考虑涂层与基体之间、涂层粒子之间的结合力。整个工艺过程的关键是， 实现表层与基体之间以及表层纳米颗粒之间的牢固的结合，并保证表层不发生晶粒长大。目前 2 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 这些技术经不断的发展、完善，已经比较成熟 ( 2 ) 材料表面自身纳米化方法 如图i - 3 ( b ) 所示，对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，使粗晶 组织逐渐细化至纳米量级。这种材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大纳米结构 表层与基体之间不存在界面，与处理前相比，材料的外形尺寸基本不变。 由非平衡过程实现表面纳米化主要有两种方法：表面机械加工处理法和非平衡热力学法， 不同方法所采用的工艺技术和由其所导致的纳米化的微观机理均存在着较大的差异。 c a ) 表面机械加工处理法：在外如载荷的重复作用下，材料表面的糖晶组织通过不周方 向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级。这种由表面机械加工处理导致的表面自身纳米 化的过程包括：材料表面通过局部强烈塑性变形而产生大量的缺陷，如位错、李晶、层错和剪 切带；当位错密度增至一定程度时，发生淫没、重组，形成具有亚微米或纳米尺度的亚晶，另 外随着温度的升高，表面具有高形变储能的组织也会发生再结晶，形成纳米晶；此过程不断发展， 最终形成晶体学取向呈随机分布的纳米晶组织。 v a c u u m 图1 - 2 表面机械加工处理设备简图 h 窟1 - 2s c h e m a t i ci | u s t r a t i o ao f 咕es u r f a c em e c 矗a n j c a j f e a l m e 丘i 在整个过程中载荷的作用方式对组织演变影响很大，一种典型的表面机械加工处理设备 如图1 2 所示。在一个u 形容器中放置大量的球形弹丸容器的上部固定样品，下部与振动发 生装置相连。工作时弹丸在容器内部作高速振动运动，并以随机的方向与样品发生碰撞。对于 单次碰撞来说，材料表面晶拉某些达到临界分切应力的滑移系可以开动、产生位错，如果弹丸 的后序碰撞方向发生变化，就会促使晶粒其它的滑移系开动，囤i - 3 。多滑移系的开动有助于 位错的增殖、运动并加快纳米化的进程，因此在设计工艺时应尽可能地增加载荷的能量和碰撞 的频率，并使其以随机的方向作用于材料的表面。 3 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 霎暑 ( a ) 第一种接触( b ) 第二种接触 图1 3 多方向载荷重复作用下，材料内部位错的分布1 2 l f i g 1 3r e p e a t e dm u l t i d i r e c t i o n a lp l a s t i cd e f o r m a t i o nl e a d i n gt od i f f e r e n ts h e a n n gb a n d s w i t hah i g h d e n s i t yo fd i s l o c a t i o na r r a y s 【2 】( a ) 1 ”c o n t a c t ( b ) 2 “c o n t a c t 总体来说，能够使材料表面产生局部往复强烈塑性变形的表面处理技术都具有实现表面纳 米化的潜力，其中比较成功的方法有：超声喷丸、表面机械加工技术和一些常规技术如普通喷 丸、冲击和机械研磨等，利用这些技术已分别在纯铁、低碳铜和不锈钢等常规金属材辩上制各 出纳米结构表层。另外，利用激光脉冲产生的冲击波也可以使材料发生强烈塑性变形，并促使 晶粒细化。不同的制各工艺和参数对纳米结构表层的厚度和纳米晶的尺寸有着重要的影响，而 在一定的温度下进行表面处理或在材料上施加一定的应力则有可能加速纳米化的进程。另外， 在一定的工艺条件下，材料自身的结构特征也会对微观变形方式和纳米化行为产生重要的影 响。 ( b ) 非平衡热力学方法：将材料快速加热，使材料的表面达到熔化或相变温度，再进行 急剧冷却，通过动力学控制来提高形核率、抑制晶粒长大速率，可l 三c 在材料的表面获得纳米晶 组织。用于实现快速加热冷却的方法主要有激光加热和电子辐射等。这种表面纳米化改变了材 料的表面使其变成纳米结构，而材料整体的化学成分或相组成保持不变。 ( 3 ) 混合纳米化方法 如图1 - 1 ( c ) 所示，将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时、或形 成后，对材料进行化学处理，在材料的表层形成与基体成分不同的固溶体或化合物。由于纳米 晶的组织形成，晶界的体积分数明显增大，为原子扩散提供了理想的通道。 在三种处理方法中，表面自身纳米化既不需要考虑纳米层与基体之间的结合力，又可利用 传统的表面加工与熟处理技术，因而相对来说比较容易实现。通过表面机械加工处理，导致材 料表面产生严重塑性变形，使晶粒通过位错增殖、重排和湮灭等过程细化至纳米量级。如超声 喷丸可使纯铁、低碳钢，3 1 6 l 不锈钢发生表面自身纳米化，反复摩擦亦可在材料表面形成纳米 量级的微结构。 由热处理方法而产生的表面自身纳米化是通过诸如熔化，凝固相变转变来实现的。控制材 a 塞型盔堂堡圭堂竺笙苎 苎= 童堕堡 料表面层的熔化凝固热力学，使晶粒形核速率相当大而晶粒长大速率相对比较小，就可以形成 表面纳米结构。如利用激光的赢能量密度和材料自身的导热性，实现材料表层的快速加热和冷 却( 加热和冷却速率可达1 0 6 - ! 0 8 s ) ，可以产生新的非平衡超微细结构 1 2 2 表面纳米化微观变形方式 在表面处理过程中外加载荷以不同的方向重复地作用于材料的表面由于外力不足以使 材料发生整体塑性变形，因此材料呈现出既不同于常规的冷加工材料，又不同于由其他强烈塑 性变形法制各的块体超细晶材料的形变组织。 1 2 2 1 形变组织 国内有关学者对工业纯铜经过不同时间表面机械研磨( s m a t ) 纳米化处理后的横截面的 金相组织观察i ”】，认为材料的形变过程具有以下特点： ( 1 ) 、表面处理初期，形变优先发生在一些特殊的晶粒中，晶界对塑性变形具有阻碍作用t 使得同一层晶粒上的塑性变形呈现出不均匀性： ( 2 ) 、塑性变形由表面开始，并逐渐向深层延伸，但是由于晶粒取向的影响，深层晶粒也 可能优先发生变形，因此在沿厚度的方向上，塑性变形的演变也呈现出不均匀性： ( 3 ) 、随着处理时间的增加，表面附近的塑性变形逐渐均匀，变形层的厚度也逐渐增大， 并趋于恒定值。 1 2 2 2 形变机制 在其他强烈塑性变形的方式下，材料都是经过大量的宏观塑性变形后才形成了超细晶组 织，但对于经过表面机械研磨处理的材料来说，横截面金相组织并未反应出大的宏观塑性变形 量，例如晶界没有发生明显的相对位移，这说明材料在表面机械研磨处理过程中的形变机制与 其他强烈塑性变形获得的超细晶材料存在一定的差异。 图l _ 4 为低碳钢经过6 0 分钟表面机械研磨处理后的金相组织。由横截面组织可以看出，低 碳钢表面附近区域经过塑性变形后形成了流变组织，这与常规的冷加工组织相似，不同之处只 是塑性变形沿厚度方向逐渐减小，如图1 4 ( a ) 所示。然而，由材料的正表面( 即处理表面) 观测却可以发现，在表面机械研磨处理方式下，材料表面附近任一小体积元内的塑性变形是沿 各种方向随机发生的，如图l - 4 ( b ) 所示。这种变形方式与经过常规冷加工的材料和由其他强 烈塑性变形法制各的块体超细晶材料中，沿某特定方向发生的塑性变形有着明显的不同【”】。 5 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 4 低碳钢经过6 0 分钟s m a t 后的金相组织1 1 9 】 ( a ) 横截面显微观测图( b ) 严重塑形形变区的显微平面观测图 f i g 1 4o p t i c a lm o r p h o l o g i e so ft h e6 0 r a i ns m a t t r e a t e dl o wc a r b o ns t e e ls a m p l e i l 9 1 ( a ) m i c r o s c o p i cc r o s s s e c t i o no b s e r v a t i o n ( b ) m i c r o s c o p i cp l a n v i e wo b s e r v a t i o no ft h es e v e r ep l a s t i c d e f o r m a t i o nr e g i o n 在表面机械研磨处理过程中，外加载荷重复地作用于材料的表面，每次作用都会在材料的 表面附近产生一个应力场，应力场内任何一个小体积元都会沿不同的方向产生塑性变形，如图 1 - 5 所示。当后续载荷作用在材料表面的不同位置时，新产生应力场内的小体积元又会沿其他 的芳向产生塑性变形。这样，尽管材料的宏观变形量很小，但是任何一个小体积元沿不同方向 的微观变形量的总和却非常大，通过这种特殊的塑性变形方式可以使材料表层附近的晶粒细化 之纳米量级。 b 图i - 5 弹丸碰撞在材料表面附近产生的局部塑性变形 f i g 1 5t h el o c a l i z e dp l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt h es u r f a c el a y e rb yt h ei m p a c t i n go ft h es h o t 1 2 2 3 影响塑性变形的因素 现有的表面机械研磨处理工艺都是依据图1 2 的原理而设计的，设备的不同只是体现为参 数的差异。因此影响材料塑性变形的因素可简单归纳为工艺参数和材料特性两个方面。 ( 1 ) 工艺参数 主要包括弹丸的能量( 与弹丸的直径和速度有关) 、碰撞频率和作用方向。弹丸能量大有 - 6 - 咄 ：咖，j ；一 o 、 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 助于增加变形层的厚度、缩短表面处理的时间；碰撞频率高可以缩短表面处理的时间，并对材 料的变形方式产生一定的影响；而弹丸以随机的方向作用于材料的表面则有助于材料在不同的 方向产生塑性变形。 由此可见，增加弹丸能量和碰撞频率并使其以随机的方向作用于材料的表面均有助于材料 的塑性变形。但对于不同的表面机械处理工艺来说，目前还很难使上述参数同时达到理想的状 态。 ( 2 ) 材料特性 主要涉及材料的层错能、结构和取向。在材料的内部，塑性变形由位错滑移和机械孪生两 种方式，究竟采取哪种变形方式取决于材料的层错能，因此具有不同层错能材料的形变方式和 形变组织存在着一定的差异。具有高层错能的材料( 如低碳钢) 的塑性变形一般通过位错运动 ( 图1 - 4 ) ：而具有低层错能的材料则为机械孪生( 图1 6 ) ；对于层错能介于二者之间的材料， 位错滑移和机械孪生两种方式均有可能发生。 图1 - 6 a i s l3 0 4 不锈钢经过1 5 分钟s m a t 后的横截面金相组织唧1 f i g 1 6 c r o s s - s e c t i o n m o r p h o l o g y o f t h e a i s i3 0 4s t a i n l e s ss t e e ls a m p l ea f t e r t h e s m a t f o r l 5 r a i n m l 材料的结构决定着滑移系的数目，在b c c 结构的材料中，有4 8 组滑移系，形变过程中很 容易在不同的方向上产生多滑移和交滑移，因此b c c 结构的材料往往会形成流线形组织：面在 f c c 结构的材料中，一般只有1 2 组滑移系，不同( 1 1 1 ) 面上的滑移系形成网格组织。在多晶 材料中，晶粒取向对组织的均匀性有着一定的影响。在外加载荷的作用下，不同取向晶粒可开 动滑移系的数目不同，例如在正压力的作用下，f c c 结构金属以( 0 0 1 ) 晶面平行于材料表面的 晶粒有8 组可同时开动的滑移系，而以任意( h k l ) ( h k l 彼此不同) 晶面平行于材料表面的晶粒 只有l 组可开动的滑移系。这样，即使在相同的条件下，不同取向晶粒产生位错或孪晶的数量 和方向也会存在显著的差异。由于材料中晶粒细化是反复塑性变形的结果，变形行为的不同会 ， 直接导致形变组织和演变进程的差异，因此各种材料经过表面机械处理盾的组织都表现出一定 程度的不均匀性。 对于给定的工艺和材料，材料变形层的厚度存在着一个极限值。图1 - 7 为低碳钢变形层厚 7 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 度随表面机械研磨处理时间的变化。可以看出，表面处理初期，变形层厚度随处理时间的增加 而呈现线性增大，之后增大的幅度逐渐减小，最后趋于恒定。变形层厚度未能无限增加主要与 外加载荷的影响范围有关，当工艺和材料均已确定时，弹丸碰撞在材料表面附近产生应力场的 深度也随之确定，这个深度决定了变形层厚度的极限值。因此，增加表面机械处理的时间只能 增加应力场波及范围内的塑性变形量，而不会使塑性变形和纳米化进程在沿厚度方向上无限地 延伸。 t h n e ，m i r i 圈1 7 低碳钢变形层厚度随s m a t 时间的变化【3 1 f i g 1 7t h i c k n e s so ft h ed e f o r m a t i o nl a y e rv s s m a td u r a t i o no ft h el o wc a r b o ns t e e ls a m p l e s 【3 1 由此可见，对于不同的工艺和材料及材料的不同深度或不同取向的晶粒来说，塑性变形方 式都有可能存在着一定的差别，从而影响着材料的纳米化行为和组织演变的进程。 1 2 3 表面纳米晶层的结构特征 在表面机械处理过程中。材料的表面首先发生塑性变形，随着处理时间的增加，塑性变形 量逐渐增大。并向深层发展。由于材料内部晶粒细化主要取决于塑性变形量，因此材料的组织 在沿厚度的方向上呈现出梯度分布。这种梯度分布的组织实际上反映了材料在多方向外加载荷 重复作用下组织演变的进程，通过横截面显微组织的分析，可以探索出表面纳米化的机理。 除了金相观测外，组织结构分析般采用x 射线衍射( x r d ) 、透射电镜( t e m ) 和扫描 电镜( s e m ) ，其中t e m 观测在研究显微组织的演变中发挥着重要的作用。 在外加载荷的往复作用下，材料表面发生的强烈塑性变形在细化晶粒的同时，也在材料内 部引入了微观应变，纳米量级的晶粒尺寸和微观应变会使x 射线衍射线形发生宽化。图1 8 为 a i s i3 0 4 不锈钢在s i v i a t 前后表面的x 射线衍射谱，与原始样品相比，s m a t 后样品表面的x 射线衍射线形都发生了明显的宽化。扣除衍射背底，并经过仪器宽化修正后，根据 s c h e r e r w i l s o n 方程，可由x 射线衍射线宽度计算出晶粒尺寸和微观应变。表面纳米化是通过 塑性变形实现的，所以晶粒尺寸与塑性变形量之间存在着一定的对应关系。表1 - 1 列出了3 1 6 l 8 ej、lv_xcp 贵州大学硕士学位论文第一章绪论 不锈钢、工业纯铁( f e ) 和低碳钢( l c s ) 经过超声喷丸( u s s p ) 和表面机械研磨处理( s m a t ) 后由x r d 计算出材料表面的晶粒尺寸和微观应变。 图1 - 8 a i s i3 0 4 不锈钢经过不同时间s m a t 前后样品表面的x 射线衍射谱1 ”1 f i g 1 - 8 x r d p a t t e r n s o f t h e a i s l 3 0 4s t a i n l e s ss t e e ls a m p l e b e f o r e a n da f t e r t h e s m a t f o r d i f f e r e n t t i m e 【加1 表1 - 13 1 6 l 不锈钢、工业纯铁和低碳钢经过u s s p 和s m a t 后，由x r d 计算出材料表面 的晶粒尺寸和微观应变 一t a b 1 - 1a v e r a g eg r a i ns i z ea n dm e a nm i c r n s t r a i ni it h es u r f a c el a y e ro f3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e l p u r es t e e la n dl o wc a r b o ns t e e lc a l c u l a t e df r o mx r d d a t aa f t e rt h eu s s pa n ds m a tt r e a t m e n t u s s ps m a l 3 1 6 l 1 * 3 f e t 9 】 l c s t 5 ll c s 2 1 i t i md2 v 2t i m ede 2 2t i m ede 2 v 2t i m e d2 2 e f s ) ( d m ) f )( s ) ( n 翔)( )( s )( 丑】)( ) ( s )( 丑m )( ) 0 2 3 10 0 5 10 0 3 70 0 0 9 3 02 0 _ + 45 02 5 35 03 5 3 3 03 3 3 0 0 0 4 ：o ，0 0 4o 0 0 1 0 0 0 2 0 2 3 5 0 0 5 00 0 3 9 0 0 8 6 9 01 5 _ 4】5 03 0 3 1 8 03 4 3 6 02 8 3 4 0 0 0 30 0 0 3- + 0 0 0 2- + 0 0 0 3 0 1 8 20 0 3 50 0 3 80 0 6 8 2 7 01 7 34 5 02 8 44 5 02 8 49 02 3 2 o 0 0 4o 0 0 40 0 0 2：t o 0 0 4 0 ：2 3 8 0 0 8 30 。0 2 8 0 0 9 8 8 1 01 7 _ + 41 2 5 03 7 - + 31 0 0 03 0 31 8 02 7 _ + 3 4 0 0 0 2- + 0 0 0 2- + 0 0 0 24 0 0 0 3 可以看出，在表面处理的初期，材料表面的晶粒尺寸已减小至纳米量级，随着处理时问的 增加，晶粒尺寸和微观应变的变化不大；在同样的工艺条件下( u s s p ) ，具有b c c 结构的工业 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 纯铁和低碳钢的晶粒尺寸比较接近，而具有f c c 结构的3 1 6 l 不锈钢的晶粒尺寸略小些，表明材 料的结构对纳米化结果有一定的影响；对于同一种材料而言( 如低碳钢) ，在不同的工艺条件 下，材料表面晶粒尺寸相近，不同的工艺参数只是影响纳米结构表层的厚度。 对于沿厚度方向结构参量的变化，可以通过化学减薄法进行分层测量。但由于x r d 计算 结果的可靠性随着x 射线衍射线形宽度的减小而急剧下降，因此晶粒尺寸沿厚度方向的变化需 结合透射电镜( t e m ) 和扫描电镜( s e m ) 观测才能获得可靠的结果。 对多种具有不同层错能的金属的横截面组织的透射电镜观测分析表明【9 】【”1 1 2 “，经高能喷丸 处理以后在样品的表面层形成的纳米晶，晶粒呈等轴状，选区电子衍射花样表明晶粒取向呈随 机分布。 ， 1 2 4 表面纳米化对材料性能的影响 表面纳米化改变了材料表面的组织和结构，这不仅有效地改变了材料的表面的性能，而且 对材料整体的性能也产生了一定的影响。 1 2 4 1 表面性能 ( 1 ) 硬度 图1 - 9 为低碳钢经过6 0 分钟的s m a t 后硬度沿厚度方向的变化及硬度与d 。1 ”( d 为晶粒尺 寸) 的关系。可以看出，由于表面形成了纳米晶组织，低碳钢表匝的硬度明显提高，与未发生 变化的心部组织相比，表厩硬度提高了两倍以上。由纳米晶层( 从表面到约4 0 a m 深度) 到亚 微晶层( 4 0 8 0 “m 深度) ，硬度逐渐减小，并逐渐趋于稳定。如图1 - 9 ( a ) 所示。对于单相材 料来说，表面硬度的提高可归因于晶粒细化和加工硬化两种效应的共同作用。然而取硬度与 d - v 2 作图可以发现，硬度随d - 1 2 增大几乎呈线性增加，如图1 - 9 ( b ) 所示，这种现象与传统的 h a l l p e t c h 关系h v 。风叫搿2 - 致，也与其他超细晶材料的力学性能研究结果相符【“，由此 可以确定表面纳米化对材料表面的强化有一定的贡献。 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 0 - 1 8 。n m 1 。 图1 - 9 ( a ) 低碳钢经过6 0 分钟的s m a t 后硬度沿着厚度方向的变化( b ) 硬度与“的关系f ，l f i g 1 - 9 ( a ) h a r d n e s s v a r i a t i o na l o n gt h ed e p t ho f t h e6 0 m i ns m a t e dl o wc a r b o ns t e e ls a m p l e ( b ) h a r d n e s sa saf u n c t i o do fd 1 ，2f o rt h es a m p l et r e a t e df o r6 0m i n t 3 】 对于多相( 两相或两相以上) 材料，硬度与晶粒尺寸也有着同样的对应关系，图1 1 0 为 a i s i3 0 4 不锈钢表面硬度和晶粒尺寸随s m a t 时间的变化。可以看出，当s m a t 至3 0 分钟表 面晶粒尺寸减小并趋于恒定值时，硬度也增加并趋于稳定，说明晶粒细化对材科表面的强化有 一定的贡献。除此之外，a i s i3 0 4 不锈钢中的马氏体相变和孪生形交对材料也有强化作用。图 1 1 1 为a i s i3 0 4 不锈钢在s m a t 前后硬度沿厚度方向的变化。由表面到约3 0 “m 深度，随着晶 粒尺寸的增大和马氏体相的减小，硬度值明显下降，当晶粒尺寸继续增加而马氏体消失时。硬 度值却变化不大，这说明硬度值在表面附近迅速下降时由马氏体相对减小所致，由此可以证明 由表面到约3 0 “m 深度的强化是表面纳米化和马氏体相变共同作用的结果。在距表面 3 0 3 0 0 m 深度主要为舆氏体孪晶碎化组织，不同孪晶碎化方式的强化效果存在着一定的差异， 在距表面3 0 1 5 0 。m 深度形成的亚微米级的多系孪晶对强化的贡献较大，而在距表面 1 5 0 3 0 0 9 m 深度形成的尺寸较大的单系孪晶的贡献较小。 主 藿 墨 l 1 l _ 哇皿t 皿d 宙啊蛀洲n 图1 1 0 a i s l3 0 4 不锈钢表面硬度和晶粒尺寸随s m a t 时间的变化【