喷丸方法表面机械化处理纯金属的组织与性能研究(3)

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(2) 表面自身纳米化

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,图

1(b)。由非平衡过程实现表面纳米化主要有两种方法，即表面机械研磨处理法和非平衡热力学法，不同方法所采用的工艺和由其导致纳米化的微观机理均存在着较大的差异。

(3) 混合方式

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,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,图1(c)。由于纳米晶组织的形成，晶界的体积分数明显增大，为原子扩散提供了理想的通道，因此化学热处理更容易进行。

1.2 表面纳米化的基本原理

塑性变形诱发的钢铁材料表面纳米化是材料内部缺陷形成、积累和演变的过程,而实现这一过程需要表面发生强烈塑性变形,且在变形过程中保证表面不发生损伤(如裂纹等)。因此表面纳米化的工艺设计应满足3个基本条件:一是外加载荷必须足够大,使材料表面产生塑性变形;二是外加载荷反复作用于材料的表面,保证表面积累足够大的塑性变形量;三是外加载荷与钢铁材料表面的接触必须光滑,避免材料表面发生损伤[13]。

到目前为止,在文献中的大多数实验记录和理论研究表明,晶粒细化是源于在立方金属和合金中的变形伴随着中等到高堆垛层错能（SFE)的位错运动。塑性变形产生高密度位错排列成各种结构取决于材料的性质,如几何上的边界,次要的位错边界和密集的位错墙等[14，15]。这些位错边界随着增加的形变增加它们的偏离度,它们中的一些将成为大角度边界，将最初的晶粒再分成细化晶粒。相比之下,低堆垛层错能面心结构材料显示出晶粒细化的不同模式。在一个铬镍铁合金600合金[16]和不锈钢[17，18](都有低SFEs),例如,晶粒细化包含位错滑移和随后的形变孪生,其次是孪生和位错的相互作用。对于密排六方(hcp)金属,孪生变形发生在早期变形阶段,并且位错滑移作为额外的变形机制以满足•冯•米塞斯判据[19]。伴随着变形的增加变形从孪生到位错滑移的转变是钛晶粒[20]在SMAT过程中细化的原由。

1.3 实用表面纳米化技术[21]

人们提出了多种表面纳米化技术,如喷丸、电镀、喷涂、气相沉积(PVD、CVD)、激光处理和表面化学处理等,这些技术通过材料表面组织结构的改善极大地提高

了材料的服役行为,因此已在工业上取得了广泛的应用。随着纳米材料与纳米技术研究的不断深入,如何将表面改性技术与纳米技术相结合,以开发利用纳米材料的优异性能,有待于进一步探索。

1.3.1 高能喷丸技术

喷丸处理也称预应力喷丸处理,这是一种给金属零件表面喷射金属细小颗粒(直径170～630 m)、玻璃或陶瓷颗粒的加工技术。在喷丸作用下,金属零件表面相当于进行了一次冷锻。在处理过的表面中部得到一种应力,可以抵抗小裂缝的产生。高能喷丸是多方向的机械载荷以高速率不断地撞击被处理材料表面,不断的多方向的机械力使不同方向的位错增殖运动,从而导致不同方向的塑性变形。由于塑性变形主要集中于表面层,导致表面层位错密度增高,随高能喷丸的进行,位错运动、湮灭、重排形成小角度晶界,从而在大晶粒内部形成亚晶粒,随高能喷丸的继续进行亚晶粒之间取向变大形成大角度晶界,最后形成取向随机的细小晶粒。以至材料表层结构由原来的粗大晶粒被粉碎成细小的纳米晶[22]。喷丸在材料的表面形成了由正压力和剪切力组成的应力系统,材料表面可在瞬间产生强烈的塑性变形,最终形成纳米晶[23]。