表面纳米化对金属材料耐磨性的影响

1、东华大学研究生课程论文封面 教师填写: 得分 任课教师签名 学生填写: 姓名 学号 专业 导师 课程名称 任课教师 课程学分 上课时间20至20学年第学期星期 递交时间年 月日 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本 人独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已明确注明和引用的内容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人 亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名: 表面纳米化对金属材料耐磨性的影响 摘要：材料的磨损起源于表面，金属材料的摩擦磨损性能与表面结构密切相关。利 ,从而大

2、用表面纳米化技术可以在金属材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层 大提高金属的耐磨性。结合国内外学者的研究报道 ,综述了表面纳米化在金属耐磨 性方面的影响，讨论了表面纳米化方法与机理以及表面纳米化影响耐磨性的因素 简述了应用表面纳米化技术改善各种金属材料耐磨性的研究和实用成果 ,最后进行 了总结和展望。 关键词：表面纳米化；金属材料；耐磨性 In flue nee of Surface Nano crystallizati on on Wear Resista nee of Metallic Materials Abstract: Wearing stems from surface of m

3、aterial, the friction and wear properties of metallic materials are closely related to their surface structure. Nano structured layer with a certain thickness can be produced by means of surface nanocrystallization tech no logy on surface of metallic materials to enhance their wear resista nee dist

4、in ctly. With the research work of scholars, an overview of the in flue nee of surface nano crystallizati on on wear resista nee of metallic materials is give n. The methods, principle and factors in flue ncing wear prop erty of surface nano crystallizatio n are dis2 cussed, the research achieveme n

5、ts and applying results are illustrated, and the summary and prosp ect are p rese nted at last. Key words: surface nano crystallizati on; metallic materials; wear resista nee 1、引言 结构材料中许多失效（如磨损、疲劳等）均与材料表面结构和性能密切相关。在大多数服 役环境下，材料的失稳多始于表面，如果能在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层， 。基于此，20世纪末中科 以通过表面组织和性能的优化来提高材料的整体性能和服役行为

6、 院金属所卢柯研究组提出了“表面纳米化” 就可 (Surface nanocrystallization)的概念，该项技术既 着眼于当前的科技水平又面向实际工程应用，为采用纳米技术提高金属材料的性能和延长使 用寿命提供了一条切实可行的途径。表面纳米化技术和表面纳米化材料有许多独特之处, 先，表面纳米化采用常规表面处理方法即可实现，在工业应用上没有明显的技术限制；其次, 表面纳米晶组织与基体组织之间无明显界面，不会发生剥层和分离；再次，表面纳米化既适 ，而且能够明 用于材料的整体，又适用于局部的表面改性。摩擦磨损性能是材料的重要使用性能之一。材 料的磨损起源于表面，表面纳米化技术不仅能避开制备块

7、体纳米材料的困难 工业化以及规 显改善材料的表面摩擦磨损性能，从而在很大程度上促进纳米技术的实用化、 模化。本文结合最近几年应用表面纳米化技术提高金属耐磨性取得的研究成果，综述了表 面纳米化对金属材料耐磨性的影响。 2、表面纳米化方法与原理 在块体材料表面获得纳米结构表层主要有3种基本方式：表面涂层或沉积、表面自身纳 米化和混合纳米化（如图1所示）。其中表面自身纳米化技术（图1（b）由于所制备的纳米层的 化学成分与基体相同，不存在界面污染、孔洞等缺陷，同时纳米层和基体之间结合紧密，不易 脱落，从而更具有开发应用的潜力和前景。其原理是通过外加载荷重复作用于材料表面, 材料表面粗晶组织产生不同方向

8、的强烈塑性变形, 引入大量的非平衡缺陷和界面，使常规粗 7 大晶粒逐渐细化至纳米量级。 A A A A A A n isi(of .nf * vidl mm or ilirpiI Iimrii h dh In hl 4IJI frt( r iiuriKifn Mull ir，山“in 表面纳米化的3种基本方式 实现表面自身纳米化主要有 2种方法，即表面机械加工处理法和非平衡热力学法。其中 表面机械加工处理法（图2）在工业应用中不存在明显的技术障碍，并且处理后材料的组织沿 厚度方向呈梯度变化， 在使用过程中不会发生剥层和分离，因而更具开发应用潜力，目前的 研究也多数集中于由该方法导致的表面自身纳

9、米化。 表面机械加工处理法主要有表面机械研 磨（SMAT）、高能喷丸（HESP）以及超音速微粒轰击（SFPB）等。 S simple (hl ibr. ll Htn ariaiiin 图2表面机械研磨（a）及表层局部塑性变形（b）的示意图 3、表面纳米化影响耐磨性的因素 表面纳米化改变了材料表面的组织和结构，从而改变了材料表面的摩擦磨损行为。王镇 一方面是因为纳米表层具有较 波等认为表面纳米化从两个方面影响材料的摩擦磨损行为： 高的强度和硬度，磨粒压入表层的深度小， 在摩擦磨损试验中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系数及磨粒磨损所造成的磨损量都比未处理样品的小; 一方

10、面是因为表面纳米晶组织能有效抑制裂纹的萌生, 而心部的粗晶组织又可以阻止裂纹的 扩展，因此在相同载荷下，表面纳米化样品较未处理样品更难于发生疲劳磨损。 材料的摩擦磨损行为主要取 但不能简单地认为表面纳米化后材料的耐磨性一定会提高， 决于纳米结构表层的厚度和表面粗糙度，也与载荷有关。纳米晶的存在可以改善材料表面 的耐磨性，厚的纳米层对提高耐磨性有利，但要得到厚的纳米层往往会增大表面粗糙度或引 ，甚至会降低材料的 入更多的累积损伤。在中低载荷下，粗糙度过大将会抵消纳米化的作用 耐磨性；在高载荷下，粗糙度的影响不大，故在高载荷下增加纳米结构表层的厚度将有助于 提高材料的耐磨性。另外，如果是在润滑情况

11、下，由于纳米表面具有较高的表面活性而容易 吸附油膜，故对提高耐磨性有利 。对于旨在提高材料表面耐磨性的表面处理工艺中，应尽 可能地增加纳米结构表层的厚度，同时应控制材料表面的粗糙度。 4、应用表面纳米化技术改善金属耐磨性 近10年来，随着表面纳米化技术的提出并快速发展，近几年国内外的研究者已应用表 面纳米化技术在钢、铁、铜、钛、镁、锆等多种金属和合金材料表面制备出纳米层，并实现 了材料耐磨性的大幅提高。早在2001年，王镇波等5通过表面机械研磨（SMAT）处理，在低 碳钢表面形成了厚度约为 20 um的纳米晶组织层（图3），纳米晶粒平均尺寸为1020nm , 低了低碳钢在中低载荷下干摩擦（室温

12、、无润滑）的磨损量（图4），并明显降低了摩擦系数 5）,大大改善了低碳钢的耐磨性。并且发现，随着载荷的增大，表面纳米化低碳钢的主要磨 损机制从磨粒磨损转变为疲劳磨损，表面纳米化有助于减弱低碳钢表面的疲劳磨损效应。 长顺等8也通过SMAT制备了厚度约为 40 um的低碳钢表面纳米晶层， 低碳钢的耐磨性得到 提高，并初步提出了表面粗糙度因素的影响（图6）。 4 Miilrix iirE.uf- 图3低碳钢表面机械研磨处理（SMAT）后的横截面组织8 s K T 氏吕二11 fl 05 * I (riiTinAbl 一且 4 ft I说山耳 in 图4低碳钢表面纳米化前后的磨损量 图5低碳钢表面纳米

13、化前后摩擦系数 n Jim r I rt n ft 图6原始低碳钢以及表面纳米化处理不同时间后的磨损量 严伟林等9采用传统喷丸技术，在高锰钢磨料表面制备出纳米结构表层，在软磨料磨损条 件下，高锰钢耐磨性明显提高，尤其喷丸30min后的高锰钢耐磨性更是提高了72%（图7）,但 另外，未喷丸处理的高锰钢主 喷丸时间过长的高锰钢由于产生了微裂纹而导致耐磨性下降。 说明表面纳米化处理 要为微观切削磨损，而表面纳米化高锰钢主要为疲劳剥落导致的磨损, 通过改变磨损机理提高了金属的耐磨性。 0 M 40 6C100120 -/min 图7高锰钢的耐磨性与喷丸时间的关系 葛利玲等10采用超音速微粒轰击（SFP

14、B）技术对40Cr调质钢进行表面处理后，形成了随 机取向的铁素体和渗碳体纳米晶粒，晶粒尺寸达 10nm,纳米层厚度约为 40 ym 经SF2PB 处理后40Cr钢的摩擦系数降低（图8），磨损量明显减少（表1），耐磨性提高。 表1 40Cr调质钢SFPB前后的磨损失重 4/ 晳 Weightg Original 19. 5()7 19.5X55 O 1652 SFPB 14 6076 19.586() a ()216 图8 40Cr调质钢SFPB前后的摩擦系数 韩忠等2采用SMAT方法在纯铜表面成功地制备出厚度约为25ym的纳米晶层，最表层 晶粒尺寸约为10nm。他们研究了 Cu纳米晶表层在室温

15、条件下的滑动及微动摩擦磨损性能, 发现在滑动干摩擦条件下 Cu纳米晶表层摩擦磨损性能明显优于普通粗晶Cu，而对于微动 摩擦，Cu纳米晶表层磨损量明显低于粗晶Cu。在干摩擦条件下，Cu纳米晶表层摩擦系数 低于粗晶Cu（图9），在油润滑条件下，Cu纳米晶表层摩擦系数高于粗晶Cu（图10）,这主要 是Cu纳米晶表层的高硬度导致油膜破坏引起金属之间局部直接接触造成的。 罗荣等11采用阳极氧化法在纯钛表面制备出TiO2纳米管层，发现在干摩擦条件下钛表 面纳米管的存在降低了材料的摩擦系数，减小了磨损 ，并提出钛表面纳米管层的磨损机制为 磨粒磨损、疲劳磨损和黏着磨损 ，磨损过程中对磨件也产生了材料转移，氧化

16、腐蚀磨损也同 时产生。 5、结语 总体来说,表面纳米化影响材料耐磨性的研究还处于起步阶段，要想实现工业应用还需 纳米化影响耐 要解决一些重要问题，如表面纳米化工艺及参数对材料摩擦磨损行为的影响、 磨性的微观机理、纳米层组织与摩擦磨损性能的关系等。 减少摩擦,提高零件金属材料的耐磨性，将大大提高机械设备的可靠性、工作性能并延 长其使用寿命，同时也节约了能源和原材料， 对促进国民经济的发展具有重大意义。随着近 年来工业应用和国防建设对材料高耐磨性的迫切需求, 以及表面处理技术日新月异的快速发 展，表面纳米化技术规模化地应用于工业和国防建设将有着广阔的发展前景和巨大的实用价 值。 1 【2 3 4

17、7 8 9 参考文献 徐滨士 .表面纳米工程M.北京：化学工业出版社,2004. 352-353; 韩忠，卢柯.纯铜纳米晶表层摩擦磨损性能研究 J.中国科学，2008, 刘红.金属材料表面纳米化研究现状J.石油工程建设，2010, 36(3): 373-375. 38(11): 1477. 11 赵严.表面纳米化对金属材料耐磨性的影响J.材料导报，2012, 26(3): 119-122 王镇波，雍兴平，陶乃镕，等 .表面纳米化对低碳钢摩擦磨损性能的影响J.金属学报，2001, 37(12): 1251 刘刚，雍兴平, 刘阳，吕晓仁, 19(6): 20 王长顺，刘刚. 严伟林，方亮, 卢柯.