金属材料表面纳米化研究与进展

大多数金属材料的失效都是从其表面开始的,进而影响整个材料的整体性能。研究表明,在金属材料表面制备纳米晶,实现表面纳米化,可以提升材料的表面性能,延长其使用寿命。金属材料表面纳米化是指利用反复剧烈塑性变形让表层粗晶粒逐步得到细化,材料中形成晶粒沿厚度方向呈梯度变化的纳米结构层,分别为表面无织构纳米晶层、亚微米细晶层、粗晶变形层和基体层,这种独特的梯度纳米结构对金属材料表面性能的大幅度提升效果显著。根据国内外表面纳米化的研究成果,首先对表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合纳米化3种金属表面纳米化方法进行了简要概述,阐述了各自优缺点,总结了表面自纳米化技术的优势,在此基础上重点分析了位错和孪晶在金属材料表面自纳米化过程中所起的关键作用,提出了金属材料表面自纳米化机制与材料结构、层错能大小有着密不可分的联系,对金属材料表面自纳米化机制的研究现状进行了归纳;阐明了表面纳米化技术在金属材料性能提升上的巨大优势,主要包括对硬度、强度、腐蚀、耐磨、疲劳等性能的改善。最后总结了现有表面强化工艺需要克服的关键技术,对未来的研究工作进行了展望,并提出将表面纳米化技术与电镀、气相沉积、粘涂、喷涂、化学热处理等现有的一些表面处理技术相结合,取代高成本的制造技术,制备出价格低廉、性能更加优异的复相表层。

医用钛合金表面纳米化组织与性能研究

针对近β型TLM钛合金试样表面进行了不同时间的高能喷丸处理,采用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及显微硬度仪等对不同喷丸处理后的试样进行了组织观察和性能测试。研究发现,在喷丸的近表层发生了纳米化,形成了一定厚度的纳米晶层。喷丸处理时间越长,最表层的平均晶粒尺寸越小,晶粒尺寸沿着厚度方向有梯度变化,距喷丸表面越远,晶粒尺寸就会越大。同时纳米晶层的显微硬度相对于基体组织有大幅提高,显微硬度距表面距离越远,显微硬度越低,硬度的提升主要是由于表面晶粒细晶强化的作用所致。

基于表面纳米化的铁基合金制备进展

表面纳米化是指在维持材料基体性质不变的前提下,通过表面塑性变形实现材料表面纳米晶制备的工艺方法。相比于粗晶材料,由于表面应力的累积和极高的晶界密度,由表面纳米化工艺制备的材料的表面强度、拉伸性能、耐磨性等一系列性能得到了显著提升。同时,其带来的表面反应活性的上升有助于表面纳米晶层中原子的扩散。因此,扩散行为的研究对材料内部界面的结构特征和性能具有重要的指导意义。本文首先阐述了表面纳米化工艺对材料表面结构造成影响及晶粒细化的机理,其次综述了原子在纳米晶中扩散研究的进展,最后对基于表面纳米化的合金制备工艺作出了展望。

表面纳米化铜添加镍后焊缝界面处组织与性能研究

文章对焊缝界面处的显微硬度和剪切强度进行定量测试,实验数据表明,表面纳米化铜中加入镍对焊缝界面组织结构与机械性能的影响规律,为相关材料的实际应用与优化提供了重要的理论依据和技术支持。

表面纳米化对材料性能影响的研究进展与展望

工程零部件失效常源于表面,微组织结构显著影响甚至决定工程零部件使役性能,表面纳米化技术可诱导材料微组织结构变化产生纳米晶结构表面层,增大表层残余压应力,对材料性能有极其重要的影响。首先综述了表面纳米化诱导微组织结构变化的过程及机理,诱导材料产生晶粒细化、位错运动、残余压应力增大、相变等微观变化,诱因有塑性变形、温度变化、元素渗入等。其次归纳了表面纳米化对材料性能的影响及其机理,上述微观变化对材料疲劳强度、耐腐蚀性、摩擦磨损性能、生物学性能等产生显著影响。总结了各个典型表面纳米化工艺的特点,相比于其他表面纳米化技术,超声振动辅助加工具有不需引入其他元素、不污染环境、原理简单、高速高质量、成本低廉、可依托于各种传统加工工艺等优势,对材料摩擦磨损性能、疲劳性能、生物学性能、表面浸润性和耐腐蚀性等具有积极作用。最后对表面纳米化工艺的未来发展做了展望,其中针对性分析了超声振动辅助加工。针对纳米晶结构表面层的数字化仿真模拟极其匮乏这一现状,将模拟仿真与试验相结合,分析微组织结构与加工参数、微组织结构与材料性能的映射关系并建立模型直观反映尚需更全面系统的研究。材料的某些性能可能不会同时达到最优值,依托于上述模型的综合评价体系有待建立,纳米晶结构表面层基于相变动力学的高温稳定性等仍需深入分析探索。超声振动辅助加工技术的关键制约因素有待完善,新材料的开发和技术手段的改进都是重要研究内容。超声振动辅助加工与其他表面纳米化方法组合使用是可探讨研究之处,优势互补或许可进一步诱导产生更优异的材料性能。

金属材料表面自纳米化技术研究

金属表面自纳米化技术具有方法简单、处理成本低等优点,适用于各种金属材料,其市场开发空间广阔。鉴于此,针对表面自纳米化对金属表面组织及性能的影响情况进行研究分析。研究表明:金属表面自纳米化技术是在材料表面施加冲击载荷,使其发生塑性变形,进而形成一定厚度的纳米晶;处理后的材料表层组织呈阶梯状变化,分为纳米层、细亚晶塑变层、粗晶应变层、基体层;通过表面自纳米化处理,材料表面的粗糙度、平整度和缺陷数量发生明显变化,进而使残余应力、摩擦磨损性和疲劳性能得以改善。

钛及钛合金表面自纳米化技术研究现状

钛及其合金材料凭借优良性能被广泛应用在航空航天等领域。复杂的运行工况对钛合金的综合性能提出了更高要求。表面纳米化技术通过在表面制备纳米晶结构层,可显著改善材料表面性能。介绍了钛及钛合金表面自纳米化相关技术的研究现状,对相关工艺的加工方式以及材料的变形机理进行了阐述,分析了各种表面自纳米化技术的工艺特点。最后,针对现有研究中存在的问题,对今后的研究工作进行了展望。

钛基金属表面自纳米结晶化对其耐磨性能影响综述

为了更好地把自纳米结晶化技术应用于钛合金制备,以改善钛合金耐磨性和扩大其在临床上的应用,介绍了包括表面机械研磨、超声喷丸、激光冲击和超声纳米晶体表面改性等在内的钛基金属表面自纳米结晶化技术,综述了表面自纳米结晶化技术对耐磨性能影响的最新研究进展,分析了自纳米结晶化技术影响耐磨性的原理。以期为临床设计和开发出新型钛基种植体提供思路。

一种表面纳米化的大规格超细晶钛合金薄板及其制备方法

本发明公开了一种表面纳米化的大规格超细晶钛合金薄板及其制备方法,包括初步轧制、包覆叠轧和表面处理。该方法通过初始大变形轧制及后续低温包覆叠轧工艺得到晶粒尺寸小于2μm的大规格超细晶钛合金薄板;且随着碾压道次数的增加,下压力逐渐增加,经过多道次碾轧后可获得表面为纳米晶、芯部为超细晶的钛合金薄板。

表面纳米化对低碳钢摩擦磨损性能的影响

用表面机械研磨对低碳钢板材进行 面处理、经 Ｘ射线衍射及透射电镜分忻表明，处理后的样品上已形成了纳米结构表层．用往复式摩擦实验机研究了处理后样品的摩擦磨损性能．结果表明其磨擦系数较未处理样品明显降低，其磨损量在低载荷及中等载荷作用下也较未处理样品降低．磨痕形貌的扫描电镜观察表明、表面纳米化能减弱低碳钢的疲劳磨损效应，提高材料的摩擦磨损性能．

表面机械研磨诱导AISI 304不锈钢表层纳米化 Ⅰ.组织与性能

采用表面机械研磨处理(SMAT)在AISI 304不锈钢上制备出纳米结构表层,研究纳米化行为及其对硬度的影响。结果表明:经过SMAT后,样品表面形成了厚度约为30μm的纳米晶层,显微组织由平均晶粒尺寸约为10nm的单一马氏体相演变为尺寸稍大的双相组织;在距表面30—300μm的范围内,显微组织由以亚微米级的奥氏体多系孪晶为主逐渐演变为单系孪晶,表面纳米化是晶粒碎化与纳米尺度新相形成共同作用的结果,与心部相比,表面硬度显著提高。

工业纯钛的表面纳米化及其机制

通过X-射线衍射、透射电镜及光学显微镜等方法,研究工业纯钛表面经SMAT技术处理后的纳米化过程及其机制。结果表明,处理后材料表面平均晶粒尺寸达到了纳米量级,在横截面上沿深度方向的晶粒细化程度逐渐减小,随距被处理表面距离增加,硬度增加程度越来越小,随处理时间延长,表面硬度有增加的趋势。

超音速微粒轰击金属表面纳米化新技术

对金属材料表面纳米化作了扼要阐述,着重介绍一种适合于大面积与复杂形状金属构件自身表面纳米化的新技术——超音速微粒轰击技术,并介绍了金属在超音速微粒轰击下晶粒纳米化的原理和装置结构以及应用前景。

表面机械研磨诱导AISI 304不锈钢表层纳米化 Ⅱ.晶粒细化机理

采用表面机械研磨处理(SMAT)在AISI 304不锈钢上制备出纳米结构表层,用透射电镜(TEM)研究组织演变过程,晶粒细化机理可归纳如下:位错在{111}面上滑移并相互交割形成网格结构;单系孪晶形成并逐渐过渡到多系孪晶;多系孪晶相互交割使晶粒尺寸不断减小,并在孪晶交叉处形成了马氏体相;孪晶系增多与孪晶重复交割强度加大使得细化晶粒的尺寸进一步减小;最终在大应变量、高应变速率和多方向重复载荷的作用下,形成等轴状、取向呈随机分布的马氏体相纳米晶组织。

低碳钢超声喷丸表面纳米化的研究

利用超声喷丸技术在 ２０低碳钢上制备出具有纳米晶体结构特征的表面层，利用 Ｘ射线衍射及电镜分析研究了表面纳米层的微观组织结构特征结果表明，经超声喷丸处理可使样品表层晶粒细化至纳米量级表层晶粒尺寸约为 １０ ｕｍ，微观应变为０．０２％－０．０４％．表面纳米层厚度约为１０μｍ．另外，样品表层亚稳相 Ｆｅ３Ｃ发生分解，形成纳米尺寸的石墨相和α－Ｆｅ相．

矿物颗粒表面纳米化修饰及其在PP复合材料中的应用

通过化学方法成功地实现了矿物粉体在Ca(OH)2 H2O CO2体系中的表面纳米化修饰,即在微米级重质碳酸钙、硅灰石粉体表面形核生成粒径均匀的纳米碳酸钙颗粒层。研究表明,表面纳米化修饰后的矿物粉体表面的粗糙度大大增加,尖锐的棱角得以钝化,纳米化修饰后矿物粉体比表面积比原来提高至少200%以上。将经表面纳米化修饰后的硅灰石粉体在聚丙烯(PP)中填充应用,较未经表面纳米化修饰的硅灰石粉体填料,其抗冲击强度提高65%以上,延伸率提高200%以上。

SS400钢对接接头表面纳米化及其对疲劳强度的影响

采用高能喷丸技术对SS4 0 0钢对接接头的表面进行处理 ,利用X射线衍射和透射电镜对表层进行结构表征 ,并测量了对接接头表层硬度、残余应力和疲劳强度的变化。结果表明 ,高能喷丸处理可以在对接接头的表面形成尺寸均匀、晶粒取向呈随机分布的纳米晶组织 ,从而消除了对接接头表层组织的不均匀性 ;纳米结构表层的硬度明显高于心部 ,其内部残余应力为压应力。这种压应力纳米强化层可以明显地提高对接接头的疲劳性能。

金属材料表面纳米化的研究现状

概述金属材料表面纳米化研究的现状,包括表面纳米化的基本原理、制备方法、结构特征和功能特性,并对表面纳米化研究的发展进行展望。

低碳钢表面纳米化处理及结构特征

采用表面机械研磨技术在低碳钢上制备出纳米结构表层，利用Ｘ射线衍射和电子显微分析研究表层的结构特征，并对硬度沿厚度方向的变化进行分析． 结果表明：经过表面机械研磨处理后，样品表层的晶粒可细化至纳米量级． 表面纳米晶层的厚度约为 ４０ μｍ，平均晶粒尺寸由 １０ ｎｍ逐渐增加到 １００ ｎｍ；在距表面约 ４０—８０ μｍ的深度为亚微晶层，平均晶粒尺寸进一步增至 １０００ ｎｍ．与样品的心部相比，表层的硬度显著提高。

表面纳米化预处理对低碳钢气体渗氮行为的影响

研究了表面喷丸纳米化预处理对气体渗氮行为的影响。利用低碳钢试样单面表面超声喷丸纳米化处理 ,另一面保持原始晶粒 ,在 46 0℃、5 0 0℃、5 6 0℃、6 40℃四种温度不同时间气体渗氮 ,通过金相观察和X射线衍射法测定渗氮层的厚度和种类。对比发现在 5 6 0℃以下渗氮时 ,经过表面喷丸纳米化预处理 :可以提高扩散系数D和气 -固传递系数 β,降低氮势门槛值 ;使常规渗氮温度降低 5 0℃左右或者渗氮时间缩短 5 0 % ;使渗氮层厚度随渗氮时间增长在初期就符合抛物线规律x =At0 5。 6 40℃短时间渗氮时 ,表面纳米化预处理仍然可以起到一定的加速作用 ,但是随着渗氮时间的延长 ,表面纳米化预处理优势消失 。