机械研磨金属表面纳米化的研究进展

在表面机械处理(SMAT)方式下,材料表面可以通过强烈塑性变形而实现纳米化,获得表面为纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度结构。表面纳米化可以使材料表面硬度提高且整体力学性能得到改善。同时材料表面活性得到极大地提高,为进一步化学处理提供良好的条件。从SMAT的基本原理、制备技术、纳米化机理、结构性能和化学处理等方面介绍了表面机械纳米化研究工作已取得的进展。     

SMAT纳米钛的组织及力学性能研究

对纯钛进行表面机械研磨处理(SMAT),并研究其组织结构以及力学性能的变化.研究结果表明,径SMAT处理后,纯钛的表面形成了纳米晶层,而整体转变成为梯度材料.与SMAT处理前的纯钛相比,处理后材料的弹性模量下降,屈服强度和抗拉强度提高而塑性下降.     

304不锈钢表面纳米化层的组织和性能

采用表面机械研磨技术(SMAT)对304不锈钢进行表面纳米化处理,利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜和显微硬度仪对处理后的不锈钢表面层组织进行表征,并在不同温度下对表面纳米组织的热稳定性进行研究。结果显示,经过SMAT后,表面获得了约436μm厚度的变形层,表面晶粒尺寸约为80nm;在SMAT处理过程中发生了应变诱发马氏体相变;表层晶粒的细化能显著提高组织的显微硬度;当保温温度在550℃以下时,表层纳米组织具有良好的稳定性,当温度超过600℃时晶粒显著长大。     

纯铜表面机械沉积镍及其对组织结构和性能的影响

为了提高材料的表面性能,采用表面机械研磨处理和机械合金化相结合的方法,在纯铜表面形成一定厚度的沉积镍层。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对试样的显微组织结构进行分析,试样的机械性能采用金相显微硬度测试仪进行测试。实验结果表明,纯铜表面经机械沉积镍处理后,表面平均晶粒尺寸达到了纳米量级;随处理时间的延长,表面硬度得到了改善。     

表面纳米化38CrMoAl钢的低温离子氮碳共渗

采用表面机械研磨处理（SMAT）技术实现了38CrMoAl钢的表面纳米化,并对表面纳米化后的样品进行了490℃离子氮碳共渗。采用扫描电镜、X-衍射、透射电镜、显微硬度仪等分析和测试手段,对处理后的样品进行观察分析及性能测试。结果表明：经SMAT处理的样品实现了低温离子氮碳共渗,渗层中渗入较多的氮、碳原子,并析出大量细小的高硬度化合物,获得了较好的硬度分布。     

表面纳米化对316L不锈钢性能的影响

对316L不锈钢进行表面机械研磨处理(SMAT),研究表面组织变化对其硬度和在0.5 mol/LNaCl介质中腐蚀性能的影响.结果表明:通过SMAT可以在316L不锈钢表面制备出纳米结构层,随着处理时间的增加,表面纳米晶组织逐渐由单一的奥氏体相过渡到奥氏体与马氏体两相共存;表面纳米化和马氏体相变能够明显地提高316L不锈钢的表层硬度,使表面粗糙度略有下降;表面机械研磨处理降低了316L不锈钢在0.5mol/L NaCl腐蚀介质中的耐蚀性能.因为316L不锈钢表面纳米晶组织容易钝化,形成的钝化膜不稳定,提高了溶解速度.     

Mo离子注入对纯铜表面纳米层稳定性的影响

采用表面机械研磨处理(SMAT)对纯铜进行表面改性,通过金属蒸汽真空弧离子注入技术在纳米表层注入Mo离子。利用光学显微镜(OM)、X射线衍射分析仪(XRD)和扫描电镜(SEM)观察SMAT处理效果,表面存在纳米层和变形层,通过原子力显微镜(AFM)表征纳米层的晶粒尺寸。结果表明:晶粒尺寸得到了显著的抑制,表面纳米层的晶粒在退火后长大到163nm,而注入了Mo离子的只长大到72nm。此外,SMAT并离子注入后材料表面的硬度仅达到SMAT试样的3.5倍,是纯Cu基体硬度的7倍左右。Mo离子的分散和由SMAT及离子注入引入晶体缺陷的反应促使了这些优化现象的产生。     

表面纳米化-微弧氧化复合涂层对铝合金拉伸性能影响机制研究

通过表面机械研磨处理(SMAT)在LY12CZ铝合金表面制备表面纳米化(SNC)过渡层,再采用微弧氧化(MAO)技术对纳米晶过渡层进行微结构重构,设计制备出纳米化-微弧氧化(SNC-MAO)复合涂层,并对比研究了表面纳米化、微弧氧化及纳米化-微弧氧化复合处理对基体铝合金拉伸性能的影响。结果表明,微弧氧化处理使基体铝合金的屈服强度和抗拉强度减小,而纳米化-微弧氧化复合处理则增加了基体铝合金的屈服强度和抗拉强度。在拉伸伸长率8%的条件下,相同厚度的纳米化-微弧氧化复合涂层比微弧氧化涂层具有更好的抗拉伸破坏能力,表现出更好的膜基结合性能。     

X80管线钢焊接接头表面自身纳米化

采用表面机械研磨(SMAT)技术对X80管线钢的焊接接头进行了表面自身纳米化处理,利用金相显微镜(OM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射技术(XRD)研究了表面自身纳米化处理后试样表面微观结构的变化。结果表明:经SMAT处理后,可以在X80管线钢的焊接接头表面形成一定厚度的等轴、取向随机的纳米晶粒;随距处理表面深度的增加,晶粒尺寸逐渐增大;SMAT处理时间的进一步延长对表层晶粒尺寸影响不大;SMAT处理可以实现X80管线钢的焊接接头组织的连续化和均匀化。     

表面机械研磨处理对N80套管钢低温渗铝层的影响

通过表面机械研磨处理(SMAT),采用低温渗铝剂在470℃的相对低温下对N80套管钢进行2h粉末包埋渗铝.分别采用金相显微镜、显微硬度仪、扫描电镜、能谱仪等分析了SMAT对N80套管钢金相组织、渗铝层微观结构和断面元素分布、渗铝套管钢的显微硬度及表面腐蚀形貌的影响.结果表明SMAT90min后,可以在N80套管钢表面形...     

医用金属材料表面自身纳米化研究进展

表面纳米化是提高医用金属材料表面耐磨性能、力学性能的有效手段,并可改善医用金属材料的生物学性能。本文介绍了滑动摩擦处理(SFT)、表面机械研磨处理(SMAT)、严重喷丸(SSP)三种常用医用金属材料表面纳米晶制备方法的原理和技术方法,并分别综述了上述三种表面纳米技术在医用金属材料领域的研究进展,重点阐述了表面纳米化医用金属材料的力学性能和生物学性能变化,最后介绍了滑动摩擦处理(SFT)、表面机械研磨处理(SMAT)、严重喷丸(SSP)三种表面纳米化技术目前存在的不足和未来研究方向,指出具有适宜纳米层深度、广泛的适应能力和较高的纳米化效率是表面纳米化技术的重要研究方向之一,同时表面纳米化制备工艺参数以及材料的组织、结构和性能对纳米化行为的影响,以及表面纳米化医用金属材料物化性能和生物学性能的变化规律及其微观机理还需要进一步的研究。     

表面机械研磨处理Fe-C合金腐蚀性能的研究

首先利用表面机械研磨技术(SMAT)使低碳钢实现了表面纳米化,然后通过金相显微镜、X射线衍射仪对SMAT后低碳钢的微观组织结构进行表征,最后通过CS350型电化学工作站测试系统对试样进行测试,分析及比较了低碳钢及其SMAT试样在0.05 mol/L H2SO4+0.05 mol/L Na2SO4介质中的腐蚀行为。实验表明,在SMAT之后,20号钢的耐腐蚀性能好于10号钢,而这恰恰与粗晶状态下10号钢的耐腐蚀性能好于20号钢的结果相反,其原因值得探究。     

激光熔化沉积铝合金显微组织及力学性能

目的 提高激光熔化沉积铝合金的成形质量。方法 以颗粒度45~105 μm的AlSi10Mg粉末为材料,4045铝合金为基板,利用激光熔化沉积设备在充氩舱内进行铝合金成形试验。测试试样的硬度和拉伸性能,并通过扫描电子显微镜和光学显微镜进行显微组织形貌分析。结果 在沉积方向上,试样显微组织呈现周期性条带状纹路,搭接区域呈现出比较明显的弧形特征;含有大量的细密树枝晶。该合金相成分主要包括:Al相、共晶Si相及少量的Mg2Si强化相。沿扫描方向,试样平均硬度值约为130HV;沿沉积方向,试样平均硬度值约为100HV;沉积态试样的屈服强度约为185.75 MPa,伸长率约为15.21%;沉积态试样拉伸性能明显优于压铸试样;该铝合金的失效形式为韧性断裂。结论 AlSi10Mg在激光熔化沉积时具有良好的成形能力,沉积态的组织强度高于铸态组织强度。     

表面机械研磨处理对Cu-10wt％Ni合金组织及性能的影响

对Cu-10％(质量分数)Ni合金进行表面机械研磨处理,采用X射线衍射仪、光学显微镜、显微硬度测试仪等对处理不同时间样品的组织及性能进行了分析.结果表明表面机械研磨处理后,Cu-10％(质量分数)Ni合金实现了表面纳米化.处理时间30min时,表面晶粒尺寸为42.92nm,随着处理时间的延长,晶粒逐渐细化,强烈变形层逐...     

表面纳米化对2024铝合金耐磨性能的影响

为了提高2024铝合金的耐磨性,采用超声波冷锻技术在2024铝合金表面进行纳米化处理,在其表面成功制备了纳米化处理层。利用透射电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)观察分析了试样表面的微观形貌、晶粒大小和粗糙度;利用显微硬度计分析了铝合金基体和纳米化处理层的硬度;采用高速往复摩擦磨损试验机研究了纳米化处理层在3.5%Na Cl溶液中的耐磨性。结果表明:经超声波冷锻处理后铝合金表面晶粒得到细化;纳米化处理层的平均表面粗糙度仅为5.50 nm;纳米化处理后的硬度为106.72 HV,是铝合金基体的1.36倍;纳米化处理后的摩擦系数由0.80降到0.65,磨损量也有所减少,磨痕深度也比铝合金基体的浅。综上可得:超声波冷锻技术提高了2024铝合金的耐磨性。     

3Cr2W8V钢表面纳米化处理微观组织及力学性能研究

利用旋转加速喷丸工艺(Rotational Assisted Shot Peening,RASP)对3Cr2W8V热作模具钢进行表面纳米化处理,采用光学显微镜、透射电镜、显微硬度计等分析测试手段对表面纳米化处理前后试样的微观组织及力学性能的变化进行研究。研究结果表明,经RASP处理后,3Cr2W8V钢的表面形成了纳米晶层,且自表面向心部呈晶粒尺寸梯度分布。与RASP处理前相比,处理后3Cr2W8V钢的表层硬度有了明显的提高。     

表面机械研磨处理的纯铜拉伸形变机制

采用扫描电镜电子通道衬度技术(SEM-ECC)研究了表面机械研磨处理(SMAT)铜表面在室温拉伸的形变特征.结果表明:剪切带是纳米晶层、亚微晶层以及由位错胞组成的过渡层的共同形变特征,在不同的结构表层,剪切带的形貌略有差别.纳米晶层和亚微晶层内的剪切带主要为沿平面界面剪切滑动的结果,而过渡层的形变主要是以SMAT处理前的初始晶粒为单元发生的,剪切带的形成基本符合晶体学规律.     

旋转加速喷丸处理18CrNiMo7-6钢的微观结构与力学性能

本研究首次采用一种高效率、低成本的大塑性变形技术——旋转加速喷丸技术(Rotationally accelerated shot peening)对正火后高温回火的18CrNiMo7-6钢进行表面纳米化处理,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射技术、硬度测试以及拉伸测试等对不同喷丸参数的样品进行了微观组织和力学性能的表征。结果表明,旋转加速喷丸能够成功地在材料表面制备出梯度结构,从样品表面到芯部具有明显的显微组织梯度和硬度梯度;调节喷丸速度可以有效地调控材料显微组织,长时间喷丸易萌生微裂纹;在喷丸速度为40m/s、喷丸时间为5min的条件下处理,样品的表面完好,屈服强度提高了57%,达到512 MPa。     

P92钢表层纳米组织的热稳定性

本文通过表面纳米化处理(SMAT)在P92钢表层中形成纳米组织结构,研究了回火温度对表层纳米组织演化行为和析出行为的影响.结果表明:淬火态和回火态P92钢组织经过SMAT处理后沿深度方向依次是纳米层、剧烈变形层、最终过渡到正常组织.随后分别研究了淬火和回火态SMAT试样经不同温度回火后微观组织的再结晶及长大行为.经SMAT处理的铁素体纳米晶粒在550℃时仍能保持较好的纳米结构,甚至高达650℃时表层晶粒仍为纳米晶,当温度超过760℃时表层组织发生显著的再结晶和晶粒长大现象.纳米晶界能抑制淬火态P92钢在较低温度回火时M23C6碳化物的析出.纳米组织提高了高温回火过程中合金元素在铁素体中的扩散速率,加速了M23C6碳化物的长大过程.不同温度回火过程中SMAT纳米层中析出行为的变化将在本文中详细描述.     

层合轧压SMAT纳米化304不锈钢复合材料的渐进损伤模拟

基于表面机械研磨处理技术(SMAT)和温轧工艺,可以加工出具有高强度和理想韧性的层合纳米化结构复合材料。为了研究层合轧压SMAT纳米化304不锈钢的变形行为以及随后的损伤起始与演化过程,采用内聚有限元方法,建立了用于预测该复合材料力学性能的有限元模型。基于这个模型,评估了材料中纳米晶层性质,包括法向内聚强度、切向内聚强度、损伤演化断裂能和体积含量对于材料整体强度和韧性的影响。通过数值仿真结果和实验结果的比较,验证了模型的合理性和准确性,同时预测结果表明增加纳米晶层的内聚强度和减小其断裂能都能提高材料的韧性;增加纳米晶层的体积含量,材料的整体韧性降低,但是强度会增加。