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金屬材料表面納米化

金屬材料表面納米化

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通常金屬工程材料的失效往往開始于表面,如疲勞裂紋、摩擦磨損和腐蝕等; 通過表面納米化處理后,可在材料表面形成納米結構層,從而提高材料的綜合性能,增加工件的服役壽命。表面納米化為納米技術與常規材料相結合提供了切實可行的途徑,巧妙地避開了制備塊體納米材料遇到的技術難題,將在工業中發揮巨大的開發應用潛力。

表面機械處理法是實現金屬材料表面納米化的一種主要方法。該方法在材料的表面重復作用外加載荷,使材料表面產生強烈的塑性變形來細化晶粒。常用的方法有:1)超聲噴丸技術。該技術是將大量的球形彈丸放置于一個 U 型容器中,容器的上部固定樣品,下部連接著振動發生裝置,通過激發彈丸,高速碰撞試樣表面,使之產生強烈塑性變形,最終實現納米化。目前,超聲噴丸法已成功應用于316L不銹鋼、低碳鋼等材料。2)超音速微粒轟擊技術。該技術利用氣-固雙相流作為載體,用超音速氣流(氣流速可達300~1200 m/s) 攜帶硬質固體微粒以極高的動能轟擊金屬表面使其產生強烈的塑性變形,將晶粒細化到納米量級。與其他方法相比較,該方法具有工作效率高,設備靈活性強,固體微??苫厥罩貜褪褂?,無環境污染等優點,已成功對 16MnR 低合金鋼及0Cr18Ni9 不銹鋼進行了表面納米化處理。3)表面機械碾磨技術。該技術是依靠半球狀的刀具尖端以一定的速度在圓柱狀的試樣上旋轉,同時沿著水平方向滑動,使材料表面產生塑性變形區,從而細化晶粒。該方法適合于在棒狀材料的表面制備納米-微米結構梯度表面層,解決了棒材的加工問題。

表面納米化通過改變材料表面組織和結構,使得材料的表面性能以致整個材料的綜合性能獲得顯著的提高。1)表面納米化技術可在材料表面形成表面納米層,從而提高表面的硬度和強度,同時材料內部保存粗晶的良好塑性,使得材料的綜合力學性能顯著提高。根據文獻報道,低碳鋼表面納米化后其最表層的顯微硬度比心部基體硬度提高了 3 倍左右。316L不銹鋼表面納米化后屈服強度由 280 MPa 提高到550 MPa,極限拉伸應力大約提高了13%。2)表面納米化使材料表面的硬度顯著增大,是心部基體硬度的幾倍。硬度的提高有助于增強材料的摩擦磨損性能,并能有效地抑制表面裂紋的產生,同時心部的粗晶組織又會阻止裂紋的擴展,從而提高材料的抗疲勞性能。據報道, GCr15 鋼表面納米化處理后的材料抗磨損性能提高了1 倍,并且磨損機制由黏著磨損轉變為磨粒磨損。316L不銹鋼板表面納米化處理后鋼板疲勞壽命是原始鋼板的1.15~1.60倍。3)表面納米化后的材料表面會產生很多結構缺陷,成為原子的快速擴散通道,能夠有效的提高材料表面滲碳、氮及滲金屬過程的速度和滲層的質量。

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