（材料学专业论文）40cr钢表面纳米化组织结构与力学性能研究.pdf

摘要 本研究采用超音速粒子轰击技术分别在调质态和淬火回火态4 0 c r 钢表面 制备了纳米晶表面层。采用扫描电镜、x 射线分析、透射电镜、原子力显微镜、 显微硬度和纳米压痕技术，研究了表面纳米晶层的组织结构和力学性能，探讨 了超音速粒子轰击表面纳米化机理、渗碳体第二相对铁素体基体纳米化的影响。 实验观察和研究表明，调质态4 0 c r 钢表面纳米化处理后，可分为纳米晶表 面层、过渡区和基体三部分。纳米晶层中晶粒尺度随着表面到基体深度的增加 而逐渐增大，表面的晶粒直径为3n m 一5n m ，小于其他表面纳米化方法得到的 晶粒粒径。这可能是由于本方法在材料表面造成的局部强烈的塑性变形区域小， 另外材料内部的渗碳体细晶粒抑制了晶粒长大。表面纳米晶层中渗碳体和铁素 体晶粒均被细化达到纳米级，纳米级渗碳体的品粒尺寸略小于铁素体晶粒。过 渡区中渗碳体的晶粒为纳米级，铁素体同时包含纳米级晶粒和1 0 0n m 以上的品 粒。过渡区中可见大量的位错线、位错带和位错网。邻近过渡区的基体中含有 大量的位错线、位错网，但铁素体晶粒和渗碳体晶粒均不是纳米晶。 淬火回火态4 0 c r 钢表面纳米化难度大，渗碳体板条垂直于纳米化表面的晶 粒比渗碳体板条平行于纳米化表面的晶粒更难细化。在其纳米晶表面层中，渗 碳体晶粒和铁素体品粒均被细化达到纳米级，表面的平均粒径尺寸为4n m 。在 表面纳米层中同时存在大量微裂纹。 研究发现，超音速粒子轰击表面纳米化的机理可能为：第一，在超音速粒 子轰击下表面层晶粒发生强烈的局部塑性变形，形成位错和孪晶；第二，位错 形成位错列、位错带和位错网，相互交织、缠结，割裂渗碳体和铁素体晶粒； 第三，渗碳体和铁素体发生迁移和扭转，形成取向完全随机分布的纳米晶表面 层。渗碳体第二相晶粒在表面纳米化过程中超阻碍塑性变形和传递能量的双重 作用，渗碳体在细化过程中可能发生溶解进入铁素体，细化后在强烈塑性变形 作用下发生扭转和迁移，分布更加均匀弥散。 力学性能试验结果表明，调质态4 0 c r 钢表面纳米化处理后，纳米晶表面层 的显微硬度高达5 2 5m p a ，为基体显微硬度的2 倍，并随着从纳米化表面层到 基体深度的增加显微硬度迅速降低。纳米晶表面的纳米硬度值高达8 0g p a ，为 基体的3 倍。纳米硬度从表面到基体的降低是逐渐过渡的，不存在明显的分界 界面。弹性模量略高于基体，超音速轰击对材料表面产生压应力引起的原子间 距减小可能是原因之一，材料内部的宏观内应力也可能是弹性模量升高的原因 之一。在距表面3 2 岫处产生“1m p a 的最大轴向残余压应力：在距表面1 5l a m 处产生4 6 6m p a 的最大环向残余压应力。表面2 5 0 岬以下，残余压应力转变 为拉应力。残余应力的影响深度为3 7 6p m 。 关键词：表面纳米化，4 0 c r 钢，组织结构，力学性能，纳米化机理 !兰生銮鎏兰苎圭量些兰望生 a b s t r a c t n a n o s t r u c t u r e ds u r f a c e l a y e r s w e r ef a b r i c a t e do na q u e n c h e d a n d h i g h t e m p e r a t u r et e m p e r e d4 0 c rs t e e l a sw e l la so naq u e n c h e da n dl o wt e m p e r a t u r e t e m p e r e d4 0 c rs t e e lb y a s u p e r s o n i cm i c r o s i z e dp a r t i c l e s h o tp e e n i n g ( s m p s p ) m e t h o d ， r e s p e c t i v e l y s e m ，x r d ，t e m ，a f m ， m i c r o h a r d n e s s ， a n d n a n o i n d e n t a t i o n t e c h n i q u e s w e r eu s e dt oo b s e r v em i c r o s t r u c t u r ea n d a n a l y z e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h en a n o s t r u c t u r e ds u r f a c el a y e r s p o s s i b l em e c h a n i s mo f n a n o c r y s t a l l i z a t i o n i n d u c e db yt h es u p e r s o n i cm i c r o s i z e dp a r t i c l e ss h o t p e e n i n g m e t h o d ，t o g e t h e rw i t he f f e c t o ft h es e c o n dp h a s e ，c e m e n t i t e ，o nn a n o 。c r y s t a l l i z e d b e h a v i o ro ff e r r i t em a t r i xh a sa l s ob e e nd i s c u s s e d e x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o n si n d i c a t et h a ts u r f a c el a y e ro n t h e q u e n c h e d a n dh i g h t e m p e r a t u r et e m p e r e d4 0 c rs t e e la f t e rs m p s p t r e a t m e n tc a nb ed i v i d e di n t ot h r e e s u b l a y e r s ，s u c h a ss u r f a c e n a n o c r y s t a l l i t es u b l a y e r ，t r a n s i t i o n f i e l d s u b l a y e r , a n d m a t r i xs u b l a y e r d i a m e t e rr a n g eo fc r y s t a l so nt h es u r f a c ei sa b o u t3n mt o5n m ， w h i c hi ss m a l l e rt h a nt h a to b t a i n e db yt h eo t h e rs u r f a c en a n o c r v s t a l l i 2 a t i o nm e t h o d d u et ot w op r o b a b l yr e a s o n s ，o r l ei st h es m a l lr e ：g i o no fs e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n i n d u c e db ye a c hm i c r o s i z e dk n o c k i n gp a r t i c l e ，a n o t h e ri st h er e s t r a i n i n ge f f e c to f n a n o s i z e dc e m e n t i t ec r y s t a l so ng r o w t ho fn a n o s i z e df e r r i t ec r y s t a l s d i a m e t e r so f b o t hf e t r i t ec r y s t a l sa n dc e m e n t i t e c r y s t a l s a r ea l lu n d e r1 0 0n mi nt h es u r f a c e n a n o c r y s t a l l i t es u b l a y e r , w h i l ed i a m e t e ro f c e m e n t i t ec r y s t a li ss l i g h t l ys m a l l e rt h a n t h a to ff e r r i t e c r y s t a l a v e r a g ed i a m e t e r o fc r y s t a li nt h en a n o c r y s t a l l i t es u r f a c e s u b l a y e ri n c r e a s e sa sd e p t h f r o ms u r f a c et om a t r i xi n c r e a s e s a l lc e m e n t i t ec r y s t a l si n t r a n s f i e l d s u b t a y e r a r en a n o s i z e d c r y s t a l s ，w h i l e f e t r i t e c r y s t a l s i n c l u d eb o t h n a n o s i z e d c r y s t a l s a n dm i c r o s i z e d c r y s t a l s l a r g eq u a n t i t y o fd i s l o c a t i o nl i n e s ， d i s l o c a t i o na r r a y sa n dd i s l o c a t i o nn e t sc a nb es e e ni nb o t ht r a n s f i e l ds u b l a y e ra n d m a t r i xn e a rt ot r a n s f i e l ds u b l a y e i f e r r i t ec r y s t a l sa n dc e m e n t i t ec r y s t a l sa r ea l in o t n a n o s i z e dc r y s t a l si nt h em a t r i x s u r f a c en a n o c r y s t a l l i z a t i o no ft h eq u e n c h e da n dl o wt e m p e r a t u r et e m p e r e d 4 0 c rs t e e li sq u i t ed i f f i c u l t n a n o c r y s t a l l i z a t i o no fg r a i n si nw h i c hc e m e n t i t ep l a t e s v e r t i c a lt ot r e a t e ds u r f a c ei sm u c hd i f f i c u l tt h a nt h a ti nw h i c hc e m e n t i t ep l a t e s p a r a l l e lt ot r e a t e ds u r f a c e f e r r i t ea n dc e m e n t i t eg r a i n sa r ea l ln a n o s i z e dg r a i n sw i t h a na v e r a g eg r a i ns i z ea b o u t4l l mi nt h en a n o s t r u c t u r e ds u r f a c es u b l a y e r m m a ym i c r o c r a c k sa r ea l s os e e ni nt h en a n o c r y s t a l l i t es u r f a c es u b l a y e r m e c h a n i s mo f n a n o c r y s t a l l i z a t i o ni n d u c e db ys m p s p m e t h o dm a yb ed i v i d e d i n t ot h r e es t e p s f i r s t l y ，l o c a ls e v e r ep l a s t i cd e f o r m a t i o ni n d u c e db yt h es u p e r s o n i c m i c r o s i z e dp a r t i c l e sr e s u l t si nf o r m a t i o no fp l a n n a rd i s l o c a t i o n a r r a y sa n dt w i n s s e c o n d l y , d i s l o c a t i o n sd e v e l o p i n t od i s l o c a t i o n a r r a y s ，d i s l o c a t i o nb a n d s ，a n d d i s l o c a t i o nn e t s ，t h e s ed i s l o c a t i o n si n t e r w e a v ea n de n t w i s t t o g e t h e ra st r e a t m e n tt i m e i n c r e a s e s a sar e s u l t ，c e m e n t i t ea n df e r r i t eg r a i n sa r es u b d i v i d e di n t os m a l lg r a i n s b y t h e s ed i s l o c a t i o n s t h i r d l y , f o r m a t i o no f r a n d o m l yo r i e n t a t e dn a n o c r y s t a l l i t el a y e rv i a g r a i nb o u n d a r ys l i d i n g ，g r a i nr o t a t i o na n dg r a i nm i g r a t i o no fs m a l lc e m e n t i t ea n d f e r r i t eg r a i n sw h i c hb e c o m em s c he a s i e rw h e nc r y s t a l l i t es i z ei sr e d u c e di n t ot h e n a n o s c a l e t h es e c o n dp h a s e ，c e m e n t i t eg r a i n s ，r e t a r d sd e f o r m a t i o na n dt r a n s f e r p o w e rd u r i n gt r e a t m e n t d i s t r i b u t i o no ft h en a n o s i z e dc e m e n t i t eg r a i n sb e c o m e s e v e nh o m o g e n e o u s l yc o n t r i b u t et og r a i nr o t a t i o na n dm i g r a t i o ni n d u c e db ys e v e r e p l a s t i cd e f o r m a t i o n m e c h a n i c a lm e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tm i c r oh a r d n e s so fn a n o c r y s t a l l i z e d s u r f a c el a y e ro i l q u e n c h e da n dh i l g ht e m p e r a t u r et e m p e r e d4 0 c rs t e e li s5 2 5m p a ， w h i c hi st w i c eo ft h a to ft h em a t r i x ，a n ds h a r p l yd e c r e a s e sa sd e p t hf r o mt os u r f a c et o m a t r i xi n c r e a s e s n a n o h a r d n e s so ft l l en a n o c r y s t a l l i z e ds u r f a c el a y e ri sa sh i g ha s8 0 g p a ，w h i c hi st h r e et i m e so ft h a to fm a t r i x ，a n dg r a d u a l l yd e c r e a s e sa sd e p t hf r o m s u r f a c et om a t r i xi n c r e a s e s t h e r ei sn oo b v i o u si n t e r f a c eb e t w e e nn a n o c r y s t a l l i z e d s u r f a c ea n dm a t r i x e l a s t i cm o d u l u so fn a n o c r y s t a l l i z e ds u r f a c el a y e ri sh i g h e rt h a n m a t r i xp r o b a b l yd u et ot h ef a c tt h a td e c r e a s eo fa t o md i s t a n c er e s u l t i n gf r o mp r e s s s t r e s s ，a sw e l la sm a c r oi n t e r s t r e s sc a u s e db ys u p e r s o n i cb o m b a r d m a x i m u m a x i a l d i r e c t i o nr e s i d u a ls t r e s s ，w h i c hi s - 4 4 1m p a ，f o r m e da t3 2p m d e p t h f r o mt h es u r f a c e ； w h i l em a x i m u m l o o pd i r e c t i o nr e s i d u a ls t r e s s ，w h i c hi s 一4 6 6m p a ，f o r m e da t1 5 “m d e p t hf r o mt h es u r f a c e r e s i d u a lp r e s ss t r e s s r e v e r s e st or e s i d u a ld r a ws t r e s su n d e r 2 5 0p m ，a n dt h ei n f l u e n c ed e p t ho fr e s i d u a ls t r e s si sa b o u t3 7 6 “m k e y w o r d s ：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 ，4 0 c rs t e e l ，m i c r o s t m c t u r e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s m e c h a n i s mo fn a n o c r y s t a l l i z a t i o n i i i 1 1弓| 言 第1 章绪论 钢铁材料是最重要的工程材料之一，在闷民经济中占有举足轻重的地能。 现代工业技术的发展要求钢铁术耋料在姆殊环境下使用，对钢铁末孝料的强度和使 用寿命提出了更高的要求。传统提高钢铁材料强度的方法是提商台金化水平， 但嵩含金化承平瀵耗了大量目憝糖竭的耀寿念属资源，生产王艺复杂且震要热 处理，能耗商、环境污染严重，材料成本高以及回收再利用困难，环境负荷大。 因此瞧特寻援其它依靠毅工艺寒潢足爨蕴提辐的使耀性能要求，其主滚方向麓 在提高钢铁材料的强度的同时尽可能降低合鑫的含精和尽可能提高材料的回收 秀生秘瘸率。 纳米材料以其优异的性能j 庭年来己成为研究的热点之- - 1 , 2 3 1 。金属纳米材 拳毒由予鑫粒缨夺( 逶誊至少在一维上小予1 0 0n m ) ，赛瑟密度裹、鼹毒体瑷分 数大，表现出独特的力学及物理化学性能1 4 , 5 】。大量实验结果表明纳米材料的性 韪帮力学行为与传统褪鑫耪辫爨鑫不爨，逶常是甓予翟丞孝葶辩 4 , 6 , 7 , 8 j 。瓣照对传 统的粗晶材料进行纳米化将是一种在不改变材料化学成分的前提下提商材料性 能靛赣方法。嚣翦，主要豹骚究集辛巍三维决俸缡米金藩秘缩拳陶瓷奉孝鞋懿合 成、制备，组织结构和性能等方面。融初步了解具有超细晶结构雾晶材料的綦 本结构与经缆。但是在西翦豹三维块体缡寒孝芎辩裁螯技术中至少存在两个主要 困难，第一、难以制备理想的三维大块体纳米材料样品，例如，无孔隙无污染 的焉于稻示缡米晶粒与纳采结构住镌关系的大尺寸溯试榉赫；第二、秘蘸的援 术难以转化到工业应用规模。 实际上，稀释的失效大多发生在誊手辩的表面。鲡材料的疲劳、腐饿和磨损 对材料的表蕊结构和性能极其敏感，材料的袭厦的结构和性能直接影响工程金 属材料的综合性能指标。所以表面改髋技术成为一颂重要的提高材料综合性能 的实用技术【9 , 1 0 l 。剥用纳米金属材料的优异性& 对传统工程鑫属材料进行表面结 构改趣，即制备出一层具有纳米晶体结构豹袭面层，将可能提高工程材料表面 的综念力学性能及环境照役行为【1 1 】。这秘表蕊纳米化处理技术，一方藤克服了 目前三维大尺寸纳米晶体材料制备技术上的潮难，另一方面着暇于工程金属材 料，姆纳米翕体材料的饯异性能与传绞工程鑫属材料相结合，衣工业应用上其 有重溪价值。 本课题瘸采鼹超音速轰壹技术对壤或车i 辗曩锱表露送嚣处蠼，剥瘸材料表 层快速严重鞭性变形制备出一层具有纳米晶体结构的表面层。对其组织结构、 霹力学蛙能进行了表短，为其实际应列提供了理论婊握。 j + 姆交通大学博上届出站搬霞 1 2 纳米材料制备方法 1 2 1 三维块体纳来材料制备方法 块体纳米丰孝料主要分为缡米金脯材料i ”1 1 3 j 和纳米陶瓷材料。纳米材料一般 通过以下三种方法获得 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 】： 第一、以独立的纳米颗粒为原辩割各。缩米辙粒可戳通过多种方法获褥， 例如：p v d 、c v d 、电解沉积法i ”1 、氧化物还原法、溶液析出法等。其中纳米 金属颗粒采用最多的是p v d 法，又称为金属蒸发原位冷压成型法。金属首 先在惰性气体中蒸发冷凝，然后在原位将这些超细颗粒冷压成块体材料，这些 超细颗粒内部仍怒多晶体。 第二、从非端结构制各，即非晶晶化法 7 , 2 0 , 2 1 , 2 2 1 。非鼹玻璃态纳米材料通过 退火或机械活化处理得到大量晶核。这些晶核的成核速度较大，而生长速度较 慢，当裴晶体材料完全熙化质，整块材料就成为纳米晶体材料。 第三、从粗晶材料开始制备。通过多种非平衡过程增加多晶材料的自由能， 例如强烈塑性变形法 2 3 , 2 4 , 2 5 】、枫械球磨法f 2 6 1 、高能粒子照射、落锤法、静水压 扭转法、喷丸硬化法、火花腐蚀和固体研磨等，通过这蟪方法粗晶颗粒经过晶 粒缨纯规璎f 2 7 1 转变到纳米尺度，飙露形或了纳张奉孝辩。张褫成f 2 8 疑毫锰钢辙叉 闪光焊接中发现不锈钢焊接介质熔合区影成宽约5 0g m 晶粒为2 0 n m 左右的 纳米晶组织，其形成的原囚是，不锈钢在闲光对焊过程中，焊接熔台送金属经 受快速( 1 0 0m n g s ) 和大应力( 7 0m p a ) 的顶锻，产生严重的嫩性变形从而形成纳米 晶缌织阎。b e t y a k o v 等在0 ，5 湛痊下对尺寸魄为9 。8 ：8 。0 ：6 。5 的3 0 4 不锈钢镪 坯谶行比例为1 5 ：1 2 2 ：1 的反复变形，同样获得了体心立方结构纳米晶组织p 。 s a l i s c h e v 等f 3 l 】对铁素钢在低予0 4 0 5 焉滋度进行大塑链变形，鼹榉获得了体 心立方结构纳米晶组织。d e r v a g i n 对1 2 c r 3 0 n i 钢在室温经过踟的冷加工变形 裁餐遗纳米酷，镌研究袭现，醚心立方豹霹溶奥氏髂1 2 c 好e 强锵在冷辍工嚣闺 出现了分离，在接近1 2 8 的膀里点的铁磁性成分升高【3 2 】。y u n t i a n 等通过对尺 寸为6 m m 6 m m x5 0 m m 鹩锅板材进行反复弯曲校直，重复1 4 次散便可将铜 由原始尺寸为7 6 5 p m 的晶粒细化到5 0n l n 左右纳米晶组织【3 3 1 。b o m e r 通过机械 研麝热挤瑶过程，在含co 0 5 的麓铁中获得晶粒尺寸为i o 3 0n n l 静超细糕 组织【3 4 】。o l e s z a k 用高能球磨技术，制备出光序体心立方的f e ( n i ) 和f e ( h 1 ) 纳米 晶，晶粒尺寸分别为1 5f l i l l 和5n m 3 5 1 。s a g a r a d z e 则利用稠交技术获得纳米晶【硒j 。 另外，纳米嘲瓷材料p 7 j 8 壤主要制备方法是之一是溶胶一凝胶法删。这种 方法首先在溶液中制备待合成陶瓷材料的有机先驱体溶胶，然精通过分解聚合 过程生成高分子的凝胶聚合物，凝胶聚合物再分解成无扭翩纳米粉末，最终烧 结成纳米陶瓷材料。 有税秘绣米孝矛料静静类缀多，涮蓊方法因材科的不同茬剐穰大。在这擎不 做叙述。 1 2 2 表面纳米化制备方法 相对于块体纳米材料的制备方法，表面纳米化材料制备工艺更适j f i 于工樱 应蠲，荔予实现工妲纯蔑模。南予本涤蘧采鲻豹是表瑟缡纯楚理方法，对这 种方法进行较为详细的叙述。表面纳米化工艺主要柯以下三种1 1 1 , 4 0 1 ： 第一、寝蘑涂蘑纳寒纯p ”。这释方法与涂层帮流获按零相关，镄魏：p v d 、 c v d 、电沉积、离子溅射和等离子工慧。涂层原始粉料可以纳米粉末，也町以 是其肖纳米晶俸结构的大颗粒或溺聚体颗粒。涂垂李孝籽与蒸俸李雩料可强相同， 也可以不同。主要的影响因素是涂层与基体的结合强度以及涂层颗粒之问自身 的结合强度。通过控箭粒子半径、粒镪分布、基体与涂屠的结合强度、残余斑 力及缎成等关键参数可以得到多种涂鼷。目茹这种技术已发展成为十分成熟的 工艺。 第二、表面自身纳米化。这种工慧的基本思路是将材料自身表面层转换成 纳米晶结构状态，同时完全保持原始材料的化学组戚和相组成不变。材科表衡 自身继米化可以邋过机械诱导和热诱导实现。 机械诱导表面自身纳米化( m i s s n c ) 是通过机械处理健使晶粒细化的 过程。b a u m a n n 等人【4 2 , 4 3 发现篱速铁鼹钢轨国于受齑速运转的机车车轮的碾压 和冲击作用，在瞬间其承受的雉应力高达1 2 0 p a 以上，执而使钢轨表面形成一 层纳涨晶组织结搦，硬度裹达1 4 g p a l “ 。a l t e n b e r g e r 等 4 5 】在实验室条枣# 下剥熙 喷丸域深度轧制方法对3 0 4 不锈钢进行处理，在试样表面获得一层纳米晶组织。 p e y r e 搬c h u 等利髑激光唆丸或喷丸强亿 4 6 , 4 7 l 技本在3 1 6 l 不锈铡葶嚣低镧中得到 纳米晶表面层。l u f l l , 4 s , 4 9 等利用超音速喷丸硬化的方法在3 1 6 锈钢表面得到一 层涤约3 0 | | 瓣，晶粒_ 足寸为1 0 。1 0 0n n l 豹纳拳磊表嚣层。磅突表鞠，超卺遽囔竞 硬化在材料农面反复施加多个方向上重复的塑性应变导致的接触应力可能有效 逡产生器位豹强烈塑性交形，麸覆导致晶粒懿秀纲纯达到纳寒足发【5 q 。其糖瑾 可能包括：( 1 ) 形变过程导致剪切带形成一组高密度位错；( 2 ) 位错湮灭及再结 合影裁枣螽鑫界露往各个鑫粒分开；移) 稷舞稠邻鑫粒经鬟关系，磊粒静彀彝菠 生变化最终达到完全的随机分布。具体的制备工艺包括f 趟声) 喷丸【5 1 ，5 蚶3 ，5 4 j 扪、 超声速微粒轰击f 5 毫朔、锤密 鳓、表瑟乾勰 捌、激茺擐动处理 锄、祝禳磺瘗芦“、 温度控制机械诱导表面自身纳米化以及后续热处理【明等。图i - i 为基予超声喷 丸的袭面缡米佬装蓬。 热诱导表面自身纳米化( t 鼹s n c ) 可以通过熔化或凝固过程中的相变实 现。通过控制表面熔化或凝固过程的动力学参数使表瑟层晶体豹成核速菠极商， 晶核生长速度较慢，从丽实现表面纳米化。这一现象在激光束或电子柬表面撇 上海交通人学博t 后出站报告 光过程中已经被观察到。 图卜1超声喷丸机械原理示意图【“i f i g 1 - 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t h e u l t r a s o n i cs h o tp e e n i n g s e t u p 第三、混合型表面纳米化。首先制备个具有纳米结构的过渡层，然后结 合化学、热力学或冶金学工艺得到一个纳米晶表面层。这一表面层可能具有不 同的化学组成或不同的相组成。当然也可能两个步骤同时进行得到纳米结构。 以上介绍的表面纳米化方法都是保持了原始化学组成不变的情况下，使粗 晶材料的晶粒细亿达到表面纳米化。姚素薇和李鸿奇采用先对钢铁表面进行化 学镀铬处理，再进行表面离子渗氮处理。氮离子对材料表面铬层的强烈冲击作 用造成铬层的晶粒细化，达到表面纳米化的效果。另外，根据氮化条件的不同， 纳米化的深度也可以超过镀铬层达到与基体结合的过渡层，使基体也纳米化。 1 3纳米金属材料结构与制备方法的关系 机械研磨法制备纳米晶体f e 的结构特征旧6 3 】：研磨初期，f e 的晶粒不断 细化，微观应变、德拜一瓦伦因子、贮存焓和膨胀系数不断增加，说明晶体内 的缺陷增多。在晶粒尺寸不变( 8n m ) 的稳态研磨阶段，纳米f e 贮存焙和膨胀 系数明显下降的，微观应变、德拜一瓦伦因子亦有所降低。通过估算纳米晶体 f e 的晶界焓和晶界膨胀系数发现，它们在稳态研磨阶段随研磨时闯的增加而不 断减小，暗示了纳米晶休f e 的晶界弛豫。 非晶晶化法制备纳米晶体s e 的平均微观应变与晶粒尺寸成反比。随着晶粒 减小，点阵参数a 增大，c 减小，结果使晶胞体积与晶粒尺寸的倒数成线性变化。 严重塑性变形法制备纳米晶体c u 的微观结构和热力学特征：定鼙x r d 分 析表明，纳米c u 存在一定的择优取向；其布拉格线形可用洛仑兹函数表示：衍 射峰的宽化源于晶粒细化和微观应变，沿不同晶向纳米c u 的晶粒尺寸基本相 同，而微观应变却明显不同。退火实验揭示纳米c u 不同取向晶粒的恢复与再结 晶不同时发生：没有位错的特定取向晶粒首先长大，并形成再结晶择优取向。 1 4 纳米材料微观组织与性能 1 4 1x r d 衍射峰的宽化 冯等1 6 4 ，6 5 1 对2 0 钢经超声喷丸前后( 1 1 0 ) 、( 2 0 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 2 0 ) 、( 3 1 0 ) 和( 2 2 2 ) 六个晶面的x 射线衍射峰进行对比发现，同退火态的粗晶相比，超声喷丸处理 后样品x 射线b r a g g 衍射峰明显宽化。b r a g g 衍射峰是由于晶粒细化、微观应 力增加和仪器宽化三方面的结果。根据s c h e r r e r 和w i l l s o n 的公式【6 “，扣除仪器 宽化效应后，晶粒尺寸和微观应变就可以从物理宽化峰的积分宽度计算出来 8 矗l九p 。l t 9 2 0 h k ，d m t 9 8 h t ，s i n 0 m f 式中丸为入射x 射线的波长，巩h 为晶面( h k t ) 的b r a g g 衍射角，疵盯和( g 二) “2 为 沿晶面m 加垂直方向上的平均晶粒尺寸和平均原子微观畸变。表1 - 1 为表面层晶 粒尺寸d 、微观应变( 2 1 m 和点阵参数a 与超声喷丸时问的关系。喷丸处理2 0 s 时表面平均晶粒尺寸已达到纳米级，随时间的增加而进一步细化，4 5 0s 时晶粒 尺寸已趋于稳定，约3 0n m 。l i u 等【”5 0 】用高能喷丸处理低碳钢表面得到相近的 结果。这一现象与机械研磨相同，可能是由于严重塑性变形导致的晶粒细化过 程与变形温升导致的结构恢复过程相持平衡所致。 表1 - 1超声喷丸后2 0 钢表面层的晶粒尺寸d 、微观应变0 2 ) 1 ”和点阵参数n t a b l e1 - 1m e a s u r e dr e s u l t so ft h em e a n g r a i ns i z e ，m e a nm i c r o s t r a i na n d l a t t i c ep a r a m e t e ro ft h e s u r f a c el a y e ri nt h e2 0s t e e la f t e rt h eu s s pt r e a t m e n tf o rd i f f e r e n tp e r i o d so ft i m e ( t ) 1 4 2 纳米表面层晶粒尺寸、微观应变和残余应力分析 采用表面机械研磨处理后低碳钢样品深度方向上的x r d 研究表明，从研磨 表面到4 0 岫的深度，晶粒尺寸由1 4y l m 逐渐增加到1 0 0n r l l ，而微观应变逐渐 变小。样品表面的微观应变约为0 1 6 7 ，与球磨法获得的纳米材料相近【6 7 】，而 比其它严重塑性变形法获得的纳米材料的微观应变稍小【6 8 1 。样品表面附近在机 械研磨过程中发生了强烈塑性变形，变形量随着深度的增加而逐渐减小，最大 变形深度可达8 0 脚，其中强烈塑性变形主要发生在表面到4 0l a m 深度的范围 内。 从表面强烈塑性变形区内会属流变条纹可见，表面强烈塑性变形沿各个方 向随机发生，这种变形方式与由其它强烈塑性变形法制备的纳米材料中沿某特 定方向发生的塑性变形有着明显的不同【6 8 1 。表1 2 为样品平均晶粒尺寸和微观 应变沿厚度方向的变化。 表1 - 2 机械研磨低碳钢样品平均晶粒尺寸和微观应变沿厚度方向的变化 t a b l e1 - 2a v e r a g eg r a i ns i z ea n dm e a nm i c r o s t r a i na l o n gt h ed e p t ho fl o wc a r b o ns t e e 1 4 3 表面纳米化层组织结构 钢铁材料经表面纳米处理后，表面层组织形成纳米结构，基体仍然保持原 始粗晶组织状态，基体与表面层之间存在一定厚度的过渡区。l i u 等m 娜】对低碳 钢和3 1 6 l 不锈钢表面纳米化后横截面s e m 观察清晰反映了这种组织特征。图 1 2 为低碳钢和3 1 6 l 不锈钢横截面的光学照片和s e m 照片。从图1 2 中可以看 出过渡区中存在大量的位错，表面区位错较少，是由于严重塑性变形后晶粒已 细化到纳米级，在扫描电镜下观察不到纳米晶粒中的位错，也观察不到纳米晶 粒之间的晶界特征。表面层以下的过渡区有两种主要的组织特征，在靠近表面 纳米化区位错密度较低，位错以位错阵列的形式存在，即位错成排存在；在靠 近基体的过渡区中位错密度较大，但分布不均匀，位错密度大的区域形成位错 网。这些位错均由强烈塑性变形产生，产生位错网的深度约为表面以下3 0 m 处。在同一个晶粒中，位错网密度大，位错网密集，但与其相邻的晶粒内位错 的密度有时很少，表现出急剧下降的特征。这可能与晶粒的原始晶体取向和结 构相关。而基体区中位错很少，晶粒粗大。表面纳米化区和过渡区的总厚度约 为5 0 1 0 0 “m ，但因基体材料的不同，这一区域的厚度变化较大。这一结果与 x r d 基本一致。 t e m 观察表明，钢铁材料经表面纳米处理后表面层由纳米晶粒和大量的晶 界组成。最表面的晶粒尺寸约为1 0n m 左右，呈等轴状晶粒，分布均匀，无异 6 一 第1 章绪论 零太静磊粮存在。媳有人缀道瑟粒为8 摊璎左右，鑫粒豹遘一步缨伍较为困难， 这与机械研磨实验时钢铁材料的晶粒在8n m 左右达到稳定状态的结果相致。 踺羞熟理聪麓过长，表瑟联数鑫糠会长大，钢懿：3 1 6 l 不锈钢窝低碳锈处理3 0 s 和8 1 0s 后，表面层的平均晶粒尺寸都分别由1 0n m 长大到1 5n m 。这可能是 瀣予楚理过程中表瑟浆溢发舞毫使鑫粒重毅长大豹臻采l 瓣4 9 1 。这璇续拳熬越无 择优耿向，呈现随机取向分布，选区电子衍射呈现多晶环。 国1 - 2 表蔼绡米纯奉| 料搂截露獠冀( 鑫) 低璇镄光学照片， ( b ) 3 1 6 l 不锈钢s e m 照片，( c ) 近表面s e m 照片，( d ) 次表面s e m 照片 4 8 f i g ，l “2o p t i c a la n ds e m c r o s s - s e c t i o no b s e r v a t i o no fm a t e r i a l sa f t e rs u r f a c en a n o t r e a t m e n t 歇爨米纯表瑟岗基镕随着浮度的增热，蕊粒尺寸迅速壤艇。绩米级鼷粒黪 存在深度与表面强烈塑性变形的深度相一致。低碳钢经过1 8 0m i n 高能喷丸处 理曩熬粒尺寸滏辱嶷方自懿交纯燕銎l 。4 f “。囊能唼丸处理蓐强烈塑性交澎夔影 响深魔为4 0 “m 左右，丽4 0 岬处的晶粒尺寸已达到1 0 0 n m 。4 0j r t m 以下，高能 嚷丸处瑾豹彩晦已不麓经糖辩产生强烈囊往交形，繇粒缨豫静佟怒降 蔑，榜精 中晶粒尺寸大于1 0 0r i m ，成为亚微米级。到8 0u m 深处，晶粒尺寸大于1 0 岬。 8 0 陋戳下离麓喷丸楚瑾静影翡迅速黪低，1 0 0 陋深跫嚣雩磊粒尺寸已逸至l u m 。完全是藻体组织中晶粒的尺寸大小。 圭兰至鎏：兰! 兰土星堂兰：主 li ( b ) ；馐ll g r h s 日瞳伽m ， 图1 - 33 1 6 l 不锈钢处理不同时间表面层的平均晶粒尺寸t e m 照片 帅 ( a ) 3 0s ，( b ) ( a ) 中晶粒粒径统计分布，( c ) 8 1 0s ，( d ) ( c ) 中晶粒粒径统计分布 f i g1 - 3b r i g h tf i e l di m a g e s o f3 1 6 l s t e e la f t e rt r e a t e dd i f f e r e n tt i m e 喜 s 鸯 e 霉 ， d e p t h ( m ) 图1 - 4 低碳钢经过1 8 0m i n 高能喷丸处理后晶粒尺寸沿厚度方向的变化 4 9 】 f i g1 4v a r i a t i o no fc r y s t a ls i z ea l o n gd e p t ha f t e rh i g he n e r g yp e e n i n gf o r1 8 0r a i n t e m 观察表明，钢铁材料经表面纳米处理后，表面以下4 0 “m 左右处存在 大量的位错。这些位错是由表面纳米化处理过程中在材料中产生强烈塑性变形 时形成的，随着处理时间的延长形成位错阵列，这些位错之间的相互宽度大约 第1 章缝论 为5 0n m ，割裂曩粒，形成更小熬晶粒，达至l 缨绽鑫簸蕊箨用。 f u j i w a r a 等【6 9 1 采用机械研磨方法在s u s 3 1 6 l 奥氏体不锈钢表面获得纳米化 接。鳃寒讫表瑟故平均晶羧尺寸为1 5n l t l ，鑫l 搴结梅主要为b c c 臻襁。各晶粒 问为商角度晶界，而基体结构为f c c 结构，且晶粒间的位向差较纳米晶粒小。 在过蒗区鑫瑗嚣子状熬鲴长晶粒，半径约为2 0r i m 左右。徽区锈瓣表明这些爨 长的晶粒有两种结构，一种是f c c 结构，另一种为b c c 结构，并且+ 个b c c 缝穆静燕粒与多个f c c 结梅晶粒搬邻。这穗f c c 獒氏体菇粒离b c c 铁索俸菇 粒的转化【7 0 1 可能是由于高能粉末冶金过程输入的能量 7 1 , 7 2 】造成的。 阁1 - 5 机槭研磨s u s 3 1 6 l 奥民体不锈钢表面艨t e m 照片【6 9 1 ( a ) 糕体形貌， 表面区，( c ) 过渡区 f i g + 1 - 5t e mm i c m g r a p ho f m i l l e ds u s 3 1 6 l s t e e l a l t e n b e r g e r 等1 对a i s l 3 0 4 舆氏体不锈钢喷丸或深轧处理后表面层的结构 分辑表强了网样熬缩粟。许云华簿磅究了i 孛妻裴蔫下痰交诱导毫镁镶表鼹组绞 纳米化机制，结果表明，冲击接触加载下，商锰钢冲击接触表面也由纳米尺度 豹羹氐体与；i 鑫缀藏。 b a r r v 等 7 3 】观察了b s8 1 7 m 4 0 钢和低合会工具钢经机械加工厝白亮爆的组 织发袋鑫亮