鋼鐵材料表面自納米化技術的應用

鋼鐵材料是重要的結構材料，廣泛應用于汽車制造、家電生產、油氣輸送、建筑（橋梁、場地、高層建筑）等領域。隨著現代科學技術的發展,對鋼鐵產品的強韌性和其他質量要求越來越高。研究表明,當鋼鐵材料的晶粒細化至納米級或亞微米級時,材料的顯微結構和性能發生明顯改善。由此,表面納米化技術有望成為改善鋼鐵材料各項性能的重要技術。目前,材料表面納米化的方法主要有表面涂層或沉積、表面自納米化和混合表面納米化。其中,表面自納米化技術因不必考慮納米層與基體之間的結合,所用設備簡單,處理前后構件外形尺寸基本不變,因而具有廣闊的應用前景1表面納米化的機理鋼鐵材料表面自納米化是將鋼鐵材料自身表面層轉換成納米晶結構,同時保持材料的化學組成不變。表面納米化的原理是采用非平衡處理增加表面層組織的自由能,使晶粒細化。此方法要求在材料表面產生強烈塑性變形或重復形核。目前,主要采用機械處理的方法在材料表面產生強烈塑性變形促使晶粒細化,包括超聲機械振動技術、超聲噴丸技術、機械研磨、表面軋制、激光噴丸等1.1納米晶化層噴丸時間的確定圖1為表面自身納米晶化SMAT設備示意圖。在一個容器內放置大量不銹鋼球丸或硬化鋼球彈丸,樣品固定于容器的上壁,容器內充滿惰性保護氣體,容器下部作垂直振動,使彈丸以隨機方向與樣品下表面發生高速碰撞。噴丸時間可根據樣品材料的種類、初始狀態、噴丸方式以及所需要的納米晶化層厚度來選擇。大量的彈丸撞擊,在樣品上產生不均勻的局部嚴重塑性變形,從而實現晶粒細化至納米量級1.2納米晶體結構及晶粒分布表面自身納米晶化機制的分析結果表明:對以位錯滑移為主要變形方式的材料其晶粒細化機理主要有晶粒分割機制、動態再結晶機制和胞結構轉變為超細晶機理;對以變形孿晶為主要變形方式的材料,其晶粒細化是通過形變孿晶間的交割實現的。形變孿晶的相互交割將變形晶粒分割為不同的結構單元,這種孿晶分割過程隨著向處理表面靠近逐漸在越來越小的尺度上進行,在近表層,納米級的多系形變孿晶將變形晶粒分割成為納米量級的結構單元,彈丸的隨機重復變形使這些結構單元逐漸轉變為隨機取向,長時間的SMAT處理,在材料表層形成均勻分布的納米晶根據微觀應變的大小、晶粒的尺寸、形狀及分布狀況,可以將樣品沿厚度方向劃分為3個區域:表面納米晶層、過渡層和原始晶粒層。表面納米晶層:此層由晶體學隨機取向的等軸狀納米晶組成,沿樣品厚度方向晶粒尺寸逐漸增加。研究表明過渡層:過渡變形層由亞微米晶粒組成,層內晶粒形狀不規則,既包含高密度位錯以及納米尺寸的剪切帶和孿晶,也含有沒有達到納米級的粗晶晶粒。文獻[15]指出,調質態40Cr鋼經表面納米化處理后,在過渡區可以發現充滿位錯的鐵素體大晶粒和滲碳體的納米級晶粒。原始晶粒層:原始晶粒層的晶粒尺寸基本保持材料處理前的尺寸,只是在與過渡層交界處仍殘留少量微觀應變。2表面納米技術的應用前景2.1高錳鋼的拉伸和拉伸性能納米晶材料具有優異的力學性能。根據Hall-Petch關系,材料的強度隨晶粒尺寸的減小而增大,當材料表面形成納米結構時,將產生細晶強化效應,同時在表面產生殘余壓應力,提高材料的疲勞壽命。文獻[8]的研究結果表明:304不銹鋼經SMAT處理后,其屈服強度可提高約2倍,而伸長率下降20%。另有研究表明,金屬或陶瓷納米晶材料可以在較低溫度下獲得超塑性。由于晶粒細化和加工硬化效應的共同作用,鋼鐵材料經表面納米化處理后表面硬度獲得很大的提高。文獻[16]表明,高錳鋼表面納米化處理后其表層顯微硬度提高一倍以上,GCr15鋼表面納米晶層的納米壓痕硬度達到12.5GPa,為基體納米壓痕的4倍以上。表面自納米化在形成納米晶層的同時,可以在表層形成一定厚度的殘余壓應力層。表面殘余壓應力的存在,抵消了試樣受載時表面的一部分或全部拉應力,最大拉應力從試樣的表面移向內部,使疲勞裂紋在表面難以形成,而在硬化層以下拉應力區的某一薄弱晶粒內產生。此時,疲勞源放出的位錯將受到內外晶界的阻礙,而不像疲勞源在表面時,疲勞源放出的位錯一端可以自由移出表面,這樣開動新的位錯就需要更大的驅動力。也就是說萌生內部疲勞裂紋的臨界抗力要高于在表面萌生疲勞裂紋的臨界抗力。這就說明殘余壓應力的存在會提高疲勞壽命2.2溫度和長的問題眾所周知,氮化能有效提高鋼的表面硬度、耐磨性、抗疲勞性能以及耐蝕性。但由于氮原子在鋼基體中的擴散速度慢,化學熱處理通常需要較高的溫度和較長的時間,對工件變形不利。所以,低溫、快速一直是化學熱處理領域追求的目標。表面自納米化改變了材料的表面結構,使材料表面層含有更多的缺陷(過飽和空位、高密度位錯、非平衡晶界等),并且溶質原子與這些缺陷的交互作用導致其固溶度超額增加。純鐵經表面納米化處理后在400℃的低溫下氮化9h后,表面形成致密的氮化層,而傳統氣體滲氮工藝在此溫度下無法實現2.3氧化加入反應表面自納米化處理后晶界的體積比顯著增大,大量晶界的增加導致晶界處原子排列的不規則,晶格畸變能大,從而具有較高的能量,促使氧化反應能力提高,材料不同電極、電位區域的反應加劇,腐蝕速度加快。隨著腐蝕深度的增加,材料表層晶粒變粗,電化學腐蝕速度減緩。顯然,這種納米化處理引起材料耐蝕性能下降,而材料經表面納米晶化后再進行化學熱處理能夠顯著改善其抗腐蝕性能3對材料的特殊要求鋼鐵材料表面自身納米化