（材料加工工程专业论文）35钢表面增压喷丸处理纳米化对气体软氮化的影响的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro f s c i e n c e t h er e s e a r c ho nt h ein f lu e n c eo fn a n o - c r y s t a l l i z a t i o n b ys u r f a c es t r e n g t h e n sp r e s s u r es h o tp e n n i n go ng a s s o f t - - n i t r i d i n go f3 5 s t e e l m s c a n d i d a t e ：c h e nl e i s u p e r v i s o r ：p r o f j i ex i a o h u a m a y2 0 1 0 f a c u l t yo fm a t e r i a la n de n e r g y g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u 。g u a n g d o n g ，pr c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 纳米晶体材料以其结构独特，性能优异而备受关注。但是由于制备纳米块状材料 缺乏有效的技术，纳米块状材料的运用受到一定的限制，金属材料通过表面的自身 纳米化处理可以在表面获得纳米晶组织。本课题在普通的喷丸机上增加增压装置， 采用增压喷丸技术对3 5 钢进行轰击处理，使3 5 钢表层获得纳米晶层组织。利用x r d 、 透射电镜、扫描电镜、显微硬度仪和粗糙度仪分别对样品的物相组成，微观组织结 构和力学性能进行了测试和分析，探讨了表面纳米结构形成的机理。 气体软氮化具有处理温度低，渗层性能高等特点，而且气体软氮化过后的零件， 即使再加热到软氮化温度附近，零件表面硬度也不会降低，而在工业上广泛运用。 由于纳米结构的大量晶界及位错等缺陷为其扩散提供了重要的通道；另一方面表面 的强烈塑性变形增大了晶界的体积分数，提高了原子的扩散速率。 在倡导节能环保的今天，将表面纳米化技术与传统的热处理技术相结合，利用纳 米结构的优异性能来缩短渗氮周期，对表面纳米化后的试样进行0 5 h 、l h 、2 h 、3 h 的软氮化处理。利用金相显微镜，x r d ，扫面电镜，电子探针，显微硬度仪，摩擦磨 损机，电化学工作站对渗氮层的成分以及氮化层的性能进行了分析和探讨。研究的 结果表明： ( 1 ) 在喷丸压力为0 6 5m p a ，喷丸时间为3 0 m i n ，喷距为l l c m ，摆角为4 5 。的条 件下3 5 钢表面能形成晶粒大小约为l o n m ，厚度大约为4 0 um 的纳米晶层， 对电子衍射花样进行标定，各晶粒的晶体学取向随机，晶粒分布均匀。 ( 2 )经过3 0 m i n 增压喷丸处理后试样的表面硬度比基体的硬度值提高了近1 倍， 在不同时间喷丸处理中，3 0 m i n 的喷丸处理时间后表面粗糙度最佳。 ( 3 )经过喷丸时间3 0 m i n ，在5 5 0 。c 强渗阶段保温2 h ，在5 7 0 扩散阶段保温1 h ，获 得的氮化层厚度为1 4 0 m ，硬度达 ! u 5 7 3 5 h v 。 ( 4 )增压喷丸软氮化处理后，在距离表面大约2 0um 范围内氮含量呈梯度分布， 最高含氮量并不是出现在表面，同时表面纳米化组织对碳元素在低温的渗入 也有促进作用。 ( 5 )在油润滑的条件下进行的摩擦磨损实验发现在1 0 0 n 的载荷条件下，喷丸软氮 广东工业大学硕士学位论文 化的摩擦因数最小，表面纳米化的次之，原始试样的摩擦因数最大；当载荷 增) ) h 至u 2 0 0 n 时，摩擦因数降低。软氮化后表面的磨损痕迹只是平行的小沟槽， 表面纳米化软氮化试样明显地提高了抗磨性能。 ( 6 ) 通过电化学腐蚀极化实验表明表面纳米化降低了试样的抗腐蚀性能，而经过 表面纳米化的气体软氮化试样，能够形成明显的钝化区，维钝电位范围广 0 11 7 5 , - - - 0 5 3 3 6 ，维钝电流密度低，是原始试样的大约1 1 0 腐蚀性能好。 关键词：3 5 钢；增压喷丸；气体软氮化；表面纳米化 a b s t r a c t a b s t r a c t n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l sh a v ea t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nf o ri t su n i q u es t r u c t u r ea n d e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o no fn a n o m a t e r i a l s i s s u b j e c t e d t o r e s t r i c t i o nt os o m ee x t e n td u et ot h el a c ko fe f f e c t i v el u m pn a n om a t e r i a l sp r e p a r a t i o n t e c h n o l o g ya n dm e t a lm a t e r i a l sc a no b t a i nas t r u c t u r ew i t hn a n o g r a i n st h r o u g h t h e s u r f a c en a n o - p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nt h ee x p e r i m e n t ，t h en a n o c r y s t a l l i n el a y e rw a sf o r m e do nt h es u r f a c eo f3 5s t e e lw i t h t h em e t h o do fs u r f a c es t r e n g t h e no fp r e s s u r es h o tp e n n i n gb ya d d i n gp r e s s u r ed e v i c eo n o r d i n a r ys h o tm a c h i n e s t h ep h a s e ，m i c r o s t r u c t u r e ，r o u g h n e s sa n dm i c r o h a r d n e s so f t h e l a y e r sw e r et e s t e da n da n a l y s e db yx r d ，t e m ，s e ma n do t h e rd e v i c e s t h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo fn a n o s t r u c t u r eo nt h es u r f a c ew a sd i s c u s s e d g a ss of t n i t r i d i n gh a sa l o w e rt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ea n d h i g h e rp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s e v e ni ft h ep a r t sa f t e rg a ss o f tn i t r i d i n ga r eh e a t e dt ot h et e m p e r a t u r e n e a r g a ss o f tn i t r i d i n g ，t h e s u r f a c eh a r d n e s sw i l ln o tb er e d u c e d ，a sar e s u l t ，t h e t e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di ni n d u s t r y o no n eh a n d ，al a r g en u m b e ro f n a n o s t r u c t u r e d g r a i nb o u n d a r i e sa n dd i s l o c a t i o n s o ro t h e rd e f e c t sp r o v i d ei m p o r t a n tc h a n n e l sf o r d i f f u s i o n ；o nt h eo t h e rh a n d ，t h es t r o n gp l a s t i cd e f o r m a t i o no ft h es u r f a c ei n c r e a s e st h e v o l u m ef r a c t i o no fg r a i nb o u n d a r i e sa n de n h a n c e st h ea t o md i f f u s i o nr a t e n o w a d a y s ，f o ra d v o c a t i n ge n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , t h es u r f a c e n a n o t e c h n o l o g yi sc o m b i n e d w i t ht h et r a d i t i o n a lh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u ei nt h e e x p e r i m e n ta n dt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fn a n os t r u c t u r es h o r t e n st h en i t r i d i n gc y c l e a sar e s u l t t h es p e c i m e n sa f t e rs u r f a c en a n o c r y s t a l l i z a t i o nw e r et r e a t e dw i t hs t r o n g i n f i l t r a t i o no fs o f tn i t r i d i n gf o rlh ，2 h ，3 h ，4 ha n db ym e a n so fo p t i c a lm i c r o s c o p y , x r d ， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y , e l e c t r o nm i c r o p r o b e ，m i c r oh a r d n e s st e s t e r , f r i c t i o na n d w e a rm a c h i n e ，e l e c t r i cc h e m i c a lw o r k s t a t i o n ，t h ec o m p o s i t i o no fn i t r i d e dl a y e ra n dn i t r i d e l a y e rp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d s t u d yr e s u l t sa r es h o w e d a sf o l l o w ： ( 1 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n so ft h a t ：p r e s s u r ei s 0 6 5m p a ，h o tp e e n i n gt i m ei s3 0 m i n ， d i s t a n c ei s1lc m , a n ds w i n ga n g l ei s 4 5o ，t h es u r f a c eg r a i ns i z eo ft h e3 5s t e e li s a b o u t10 n ma n dt h et h i c k n e s so fn a n o c r y s t a l l i n el a y e ri sa b o u t4 0 i - t m a f t e r 1 1 1 r a n g eo f d i m e n s i o n a lb l u n tp o t e n t i a lb e t w e e n o 117 5 a n do 5 3 3 6 t h el o w d i m e n s i o n a l p a s s i v ec u r r e n td e n s i t yi sa p p r o x i m a t e l y10p e r c e n to ft h eo r i g i n a ls a m p l e sa n dt h e c o r r o s i o nb e h a v i o ri se x c e l l e n t k e y w o r d s ：3 5s t e e l ；s t r e n g t h e n sp r e s s u r es h o tp e n n i n g ；g a ss o f t - n i t r i n g ；s 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 v 目录 目录 摘要 a b s t r a c t 。 目录。 c o n t e n t s 第一章绪论。 i i i l 1 1 选题的意义l 1 2 金属材料表面纳米化的性能3 1 3 金属表面纳米化材料的制备。4 1 3 1 超音速喷丸技术4 1 3 2 表面机械研磨技术5 1 3 3 高能喷丸技术6 1 4 表面纳米化的机理6 1 4 1 高层错能金属塑性变形的微观机理7 1 4 2 低层错能金属塑性变形的微观机理7 1 5 钢的氮化8 1 6 气体氮化的主要工艺l o 1 6 1 等温氮化1 0 1 6 2 二段氮化1 0 1 6 3 三段氮化1 1 1 7 气体软氮化的研究发展方向1 1 1 7 1 稀土催渗软氮化1 1 1 7 2 多元共渗l2 1 7 3 奥氏体软氮化1 2 l 。8 本文的研究内容与创新之处1 3 1 8 1 研究内容1 3 v 广东工业大学硕士学位论文 1 8 2 本课题的创新之处1 3 第二章材料的制备与实验方法 1 4 2 1 实验材料设备、方法及技术1 4 2 1 1 实验材料1 4 2 1 2 实验装置与设备1 4 2 2 实验检测方法及设备1 7 2 2 1 透射电镜观察。1 8 2 2 2 扫描电镜观察1 8 2 2 3x r d 实验19 2 2 4e p m a 实验19 2 2 5 摩擦磨损实验1 9 2 2 6 电化学腐蚀性能测试。2 l 2 2 7 金相显微镜与硬度测量。2 l 2 2 8 表面粗糙度测量2 2 第三章增压喷丸表面纳米化的结构表征2 3 3 1 引言。2 3 3 2 增压喷丸表面纳米化工艺参数2 3 3 3x 射线衍射分析2 4 3 4 试样表面纳米化后t e m 分析2 7 3 5 表面纳米化后试样的硬度分布3 0 3 6 表面纳米化后的s e m 分析3 0 3 7 表面粗糙度分析3 2 3 8 本章小结3 3 第四章增压喷丸表面纳米化后气体软氮化3 5 4 1 气体软氮化工艺参数3 5 4 1 1 软氮化温度3 5 4 1 2 软氮化时间3 5 4 1 3 氮势的控制一3 5 v i 目录 4 2 软氮化试样的金相组织和硬度分析3 8 4 3 软氮化试样的表面形貌与显微组织4 3 4 4 渗层的相结构4 6 4 5 截面元素成分分析4 7 4 6 摩擦磨损试验4 8 4 7 腐蚀极化实验5 3 4 8 本章小结5 5 结论与展望 参考文献。 5 6 攻读硕士期间发表的论文及申请的专利。一 独创性声明 5 8 6 2 6 3 j i 2 i ：谢 v i i 6 4 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t 。i a b s t r a c t i i i c o n t e n t s v c o n t e n t s v i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h es i g n i f i c a n c eo f t o p i c s 1 1 2t h ep e r f o r m a n c eo ft h es u r f a c en a n o - c r y s t a l l i z a t i o nm e t a lm a t e r i a l s 3 1 3t h ep r e p a r a t i o no f t h es u r f a c en a n o - c r y s t a l l i z a t i o nm e t a lm a t e r i a l s 4 1 3 1t h et e c h n o l o g yo fs u p e r s o n i cs p e e ds h o tp e n n i n g 。4 1 3 2t h et e c h n o l o g yo f s u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t 5 1 3 3t h et e c h n o l o g yo f h i g h - e n e r g ys h o tp e e n i n g 一6 1 4t h em e c h a n i s mo fs u r f a c en a n o - c r y s t a l l i z a t i o n 一6 1 4 1t h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo fh i g hs t a c k i n gf a u l te n e r g ym e t a lp l a s t i c d e f o r m a t i o n 7 1 4 2t h em i c r o s c o p i cm e c h a n i s mo f l o ws t a c k i n gf a u l te n e r g ym e t a l p l a s t i c d e f o r m a t i o n j 7 1 5t h en i t r i d i n go fs t e e l s 8 1 6t h em a i np r o c e s so f g a sn i t r i d i n g 10 1 6 1i s o t h e r m a ln i t r i d i n g 10 1 6 2t w o s t e pn i t r i d i n g 10 1 6 3t h r e e - s t e pn i t r i d i n g 1l 1 7t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no f g a ss o f tn i t r i d i n g l l 1 7 1r a r e e a r t hc a t a l y z i n gi n f i l t r a t i o no fg a ss o f tn i t r i d i n g 1l 1 7 2m u l t i c o m p o n e n tc o - c e m e n t a t i o n 12 1 7 3a u s t e n i t i cg a ss o f tn i t r i d i n g 12 1 8r e s e a r c hc o n t e n sa n di n n o v a t i o n 13 1 8 1r e s e a r c hc o n t e n s 11 i v i i i c o n t e n t s 1 8 2t h ei n n o v a t i o no f t h i sa r t i c l e 1 3 c h a p t e r 2p r e p a r a t i o na n de x p e r i m e n t a lm e t h o d so fm a t e r i a l s 1 4 2 1e q u i p m e n t ，m e t h o d sa n de x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e 1 4 2 1 1e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 14 2 1 2e x p e r i m e n t a la p p a r a m sa n de q u i p m e n t 1 4 2 2d e t e c t i o na n de q u i p m e n to fe x p e r i m e n t 17 2 2 1t e mo b s e r v a t i o n 1 8 2 2 2s e mo b s e r v a t i o n 18 2 2 3x r de x p e r i m e n t a l 19 2 2 4e p m ae x p e r i m e n t a l 19 2 2 5f r i c t i o na n dw e a re x p e r i m e n t a l 19 2 2 6e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t 2 1 2 2 7m e t a l l o g r a p h i ce x a m i n a t i o na n dh a r d n e s sm e a s u r e m e n t 2 1 2 2 8s u r f a c er o u g ht e s t 2 2 c h a p t e r3 c h a r a c t e r i z a t i o ns t r u c t u r eo fs t r e n g t h e n sp r e s s u r es h o tp e n n i n g 2 3 3 1i n t r o d u c t i o n 2 3 3 2t e c h n o l o g yp a r a m e t e r so f n a n o - c r y s t a l l i z a t i o nb ys u r f a c es t r e n g t h e n sp r e s s u r e s h o tp o r t i n g 2 3 3 3x - r a yd i f f i a c t i o na n a l y s i s 2 4 3 4n a n o c r y s t a l l i n es a m p l e st e ma n a l y s i s 2 7 3 5h a r d n e s sd i s t r i b u t i o no fs u r f a c en a n o c r y s t a l l i n es a m p l e s 3 0 3 6s e ma n a l y s i so fs u r f a c en a n o c r y s t a l l i n es a m p l e s 3 0 3 7s u r f a c er o u g h n e s sa n a l y s i s 3 2 3 8s u m m a r y 3 3 c h a p t e r 4t h es a m p l e so ng a ss o f t - n i t r i d i n ga f t e rn a n o - c r y s t a l l i z a t i o nb ys u r f a c e s t r e n g t h e n sp r e s s u r es h o tp e n n i n g 3 5 4 1t e c h n o b g yp a r a m e t e r so fs o f tn i t r i d i n g 3 5 4 1 1t e m p e r a t u r eo f s o f tn i t r i d i n g 3 5 i x 广东r _ a k 大学硕士学位论文 4 1 2t i m eo fs o f tn i t r i d i n g 3 5 4 1 3n i t r o g e np o t e n t i a lc o n t r o l 3 5 4 2m e t a l l o g r a p h i co r g a n i z a t i o na n dh a r d n e s sa n a l y s i so f s o f tn i t r i d i n gs a m p l e s 3 8 4 3s u r f a c em o r p h o l o g ya n dm i c r o s t r u c t u r eo fs o rn i t r i d i n gs a m p l e s 4 3 4 4t h ep h a s es t r u c t u r eo fd i f f u s i o nl a y e r 4 6 4 5e l e m e n t sa n a l y s i so fs e c t i o n 4 7 4 6f r i c t i o na n dw e a rt e s t 4 8 4 7c o r r o s i o np o l a r i z a t i o ne x p e r i m e n t 5 3 4 8s u m m a r y 5 5 c o n c l u s i o na n do u t l o o k 5 6 r e f e r e n c e s 5 8 t h ep a p e rp u b l i s h e dd u r i n gt h ec o u r s e 6 2 m yd e c l a r a t i o n 6 3 a c k n o w l e d g e ”6 4 x 第一章绪论 1 1 选题的意义 第一章绪论 随着我国汽车工业的飞速发展促使对汽车轮胎的需求量越来越大，在汽车轮胎生 产过程中，模具是一种必不可少的机械设备。橡胶轮胎模具从当初的两瓣模具发展到 今天的子午线轮胎活络模，模具品质的好坏直接影响到轮胎产品的质量。轮胎模 具是在高压、高温和强烈的摩擦条件下反复使用，除受到腐蚀性物质的化学腐蚀外， 由于周期加热与冷却，模具受压应力以及拉应力反复作用而导致的热疲劳失效和磨 损失效扭一，。在保证模具型腔使用寿命前提条件下，模具表面应光滑、美观。 模具工作时主要依靠工件表面的性能，在服役的环境下，模具的失稳多开始于表 面，改善模具型腔表面和亚表面的材料性能，满足型腔表面和心部的不同性能要求， 在提高模具的使用寿命的同时，能够有效地降低生产成本。表面强化处理技术主要 是通过施加各种覆盖层或者采用机械、物理、化学等方法来改变材料表面形貌、化 学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态，从而提高材料抵御环境作用的， 能力。目前除了采用常规热处理如气体氮化工艺，因其能显著提高工件的耐磨性、 抗擦伤性能、抗粘和性能、接触疲劳性能、冲击或交变载荷下的持久强度和耐腐蚀 性能等，而且气体氮化工艺设备投资、生产成本低，更是被广泛关注。但是原有的 气体氮化工艺因存在工艺周期长、氮化层不稳定等方面的缺点而影响了气体氮化工 艺的广泛使用和使用效果，。因此许多学者致力于材料表面改性( 如渗碳、渗氮和离 子注入等) 的研究，通过使表层的组织结构发生变化来提高材料的使用性能，但传统 的表面改性方法存在一定的难以避免的缺陷，纳米晶体材料由于其独特的结构和性 能而倍受关注，但是目前尚难以获得高纯、致密、界面清洁的理想三维块体纳米晶 材料。 1 9 9 9 年l u 等1 6 7 1 提出了金属材料表面纳米化( s u r f a c en a n o c r y s t a l l i z a t i o n ) 的 概念，即在材料的自身表面形成具有纳米结构的表面层，纳米结构表层与基体之间 没有明显的界面，采用常规的表面处理技术或对常规的技术进行改性即可实现。通 过表面纳米化处理已经在很多种金属材料表面获得一层几十微米厚的无污染、全致 密的纳米晶组织，从而提高了材料的疲劳、摩擦和磨损等表面性能。卑多慧等研 广东工业大学硕士学位论文 究发现表面纳米化预处理可降低渗氮处理的温度，缩短处理时间，可以明显地提高 渗氮速度，在渗氮条件相同的情况下，化合物厚度成倍增加，可提高氮原子在集体 中的扩散系数和表面反应传递系数，降低氮势门槛值。这说明表面纳米化处理给我 们对金属的表面处理工艺带来了新的思路，有着很高的应用和发展前景，若将表面 纳米化技术与传统的表面改性技术相结合则可能是克服传统改性技术缺点的一个重 要的途径。 氮化是将活性氮原子渗入钢件表面层的过程，即表面被氮原子饱和的过程，又称 渗氮。钢的氮化在机械工业、石油工业、国防工业等领域应用十分广泛。渗氮改变 了表面的化学成分和组织状态，因而也改变了钢铁材料在静载荷和交变应力下的强 度性能、摩擦性能、成型性及腐蚀性。氮化的目的是为了提高钢铁制件的表面硬度、 耐磨性、疲劳强度及抗腐蚀能力。氮化的方法很多，如气体氮化、盐浴氮化、离子 氮化、真空脉冲渗氮以及盐浴软氮化和气体软氮化等伸，。其中，气体氮化工艺以其 生产工艺简单、容易操作、成本低、对工件的适应性强等独到优点使这一传统的 化学热处理工艺不断焕发新的生机。但气体氮化长达几十小时，以及渗层脆性较大 这两点不足，引起了热处理工作者广泛关注并进行了大量的实验研究。氮化的派生 工艺获得了重视和发展，出现了许多快速氮化及其派生的氮化方法。 软氮化 t o h i 工艺是在氨气氛中加入各种含碳气体，利用时钢的表面易被碳饱和， 并形成极其细小的碳化物，这种碳化物能作为媒介起到促进渗氮的作用因而加速了 氮化过程。这时按照f e c n 状态图形成保护层。相对于气体氮化的f e - n 状态图的 共析点5 9 0 ( 2 ，软氮化的特别是二元共渗( c ，n ) ，渗速快，处理温度低于相变点， 只有5 6 5 c ，因而工件的变形很小。碳仅参与形成改层的表面区并促使在其内形成 碳氮化合物，即使氮化物相f e 。n 合金化。在f e 。n 相内较少的含碳量可保证提高其脆 性破坏抗力。由于“相 对n ，c 等溶解能力大。也称为短时氮化。因此我们 可利用“软氮化 来增加渗氮的浓度，从而减少渗氮的时间，降低温度。 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，可在材料的表层获得与基体化学成分不同的固溶体或化合物。钢表面 的纳米结构会对氮、碳原子的扩散产生影响”。一方面会使碳的溶解度增加，有利 于碳原子的渗入，使其不只是聚集在表面，而是向内部扩散，从而使样品表面一定 范围内的碳含量较高，相应的硬度值也较高，与此同时析出的碳化物为氮原子的渗 入提供了“异质形核”的条件，有利于氮原子的吸附：另一方面由于碳量的增加，氮 2 原子的晶内扩散受到阻碍，但纳米结构的大量晶界及位错等缺陷也是其扩散的重要 途径，因此仍然有一定数量的氮原子渗入。由于纳米晶组织的形成，材料表面晶界 的体积分数明显增大，这为原子的扩散提供了理想的通道，可显著地降低化学处理 的温度和时间、提高元素渗入的浓度和深度，从而使得材料的化学处理更容易进行。 1 2 金属材料表面纳米化的性能 1 9 8 1 年德国萨尔兰大学的物理学家h g l e i t e 教授首次提出了纳米材料的思想，纳 米材料是至少在一维方向的尺寸小于1 0 0 n m 或由小于1 0 0 n m 的基本单元组成的材料 称为纳米材料 1 5 1 4 ，。纳米晶体材料具有小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量 子隧道效应，从而使材料具有特殊的物理、化学及力学特性。目前制备块状的三维 纳米晶材料是比较困难的，而在金属表面获得纳米晶体结构最近几年已取得阶段性 的成果。金属表面纳米化后对工件的力学性能改变主要体现在如下几方面“耵： ( 1 ) 表面硬度：表面硬度的提高可归结为晶粒的细化和加工硬化两种效应的共同作 ： 用。由于表面形成了纳米晶组织，低碳钢表面的硬度的硬度提高为原来的2 倍。由 传统的h a l l p e t c h 关系可知，材料表面的硬度与晶粒的直径d 1 佗增大呈线性增加“， 加工硬化使金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破 碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。 ( 2 ) 疲劳性能：材料经过表面处理后，表面形成纳米晶组织能有效地抑制裂纹的萌 生，同时心部的粗晶组织能阻止裂纹的扩展，这种特殊的组织能有效地提高材料的 疲劳性能。疲劳寿命的提高是由于三方面的原因“：表面纳米化后实现了表面组织 均一化合性能的均一化，组织和性能均匀的表面纳米化强化层能够有效地阻止疲劳 裂纹在焊缝区表面的萌生，而心步的粗晶组织又有助于抑制裂纹的扩展；表面纳米 化有助于消除表面可能存在，易发展成裂纹核心的各种缺陷，钝化次表层存在的缺 陷；表面纳米化能在表面形成有利于提高疲劳性能的压应力层。 ( 3 ) 摩擦磨损性能：因为纳米晶具有高的强度和硬度，磨粒压入表层的深度小，配 副相对样品表面运动的阻力较小，所以表面纳米化样品的摩擦因数及磨粒磨损所造 成的磨损量均比原