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通过表面纳米化实现金属材料表面结构和性能的优化,以提高材料的整体性能,成为纳米材料及技术的重要研究领域之一。发展具有优异表面质量和高效的处理方法已成为表面纳米化工业应用基础研究的迫切任务。同时,梯度结构的表层为研究纳米材料相关性能和力学行为的热点科学问题提供了理想样品。本论文基于普通切削导致的塑性变形,发展一种新颖的表面纳米化技术,即表面机械研磨处理SMGT(SurfaceMechanical Grinding Treatment),并以纯铜为模型材料开展结构演化、摩擦磨损行为和纳米-微米梯度结构的拉伸力学行为的系统研究,明确SMGT微观结构特征,揭示纳米-微米梯度结构中纳米晶的塑性变形特征,最后对常用的工程材料进行SMGT尝试。主要结果如下:
(1)对普通切削刀具进行改造,结合适当的冷却方法,发展了一种新颖的表面机械研磨处理SMGT。通过比较其它表面纳米化技术发现,SMGT技术具有处理效率高、表面粗糙度低和无污染的特点。该技术所需设备简单,控制方便。
(2)由于动态再结晶的出现,导致室温SMGT Cu表层初始产生的纳米晶转变为再结晶超细晶。伴随着变形织构向再结晶织构转变,处理表层沿深度方向形成织构梯度,其中最表层立方织构组分强度最高,而剪切和轧制织构组分最弱。再结晶还导致最表层大角晶界比例增加,相应的晶粒内部取向梯度最小。
(3)通过低温SMGT能够在Cu表面形成纳米.微米梯度结构。由于应变速率和剪切应力分量的不同,原始粗晶能够通过两种途径细化成纳米晶。在具有最高应变速率和最大剪切应力的处理表面,纳米尺度的初始孪晶及二次孪晶迅速将粗晶细化至纳米尺度。次表层的粗晶首先通过位错滑移形成等轴超细晶,随后在超细晶内通过纳米尺度孪晶的形成实现纳米化。超细晶的进一步细化成为增加纳米层厚度的有效途径。上述两种途径不同于其它严重塑性变形技术中由位错滑移主导的晶粒细化机制。
(4)对低温SMGT制备的纳米晶和粗晶Cu进行摩擦磨损测试比较发现,两者摩擦系数与磨痕表面的氧化和剥层程度密切相关。当氧化和剥层没有发生或轻微时,两者的稳态摩擦系数在合理的误差范围内相当；当显著氧化和严重剥层出现后,摩擦系数逐渐增至相同的稳态值。由于实际摩擦副的改变,更高载荷下摩擦系数的差异并不代表纳米晶Cu本身的摩擦系数不同于粗晶。在整个测试载荷范围内,纳米晶Cu的耐磨性相对于粗晶至少提高了一个数量级,主要归因于纳米晶Cu的高硬度和随后的轻微磨损机制。
(5)纳米一微米梯度结构Cu样品的单向拉伸行为不同于无约束状态下的纳米晶样品。在次表层超细晶和粗晶基体的约束下,纳米晶层通过局域化变形能够避免集中颈缩的发生,延缓纳米晶层的开裂,最终实现较大的拉伸延伸率,从而证实了纳米晶的本质塑性。通过分析纳米-微米梯度结构样品拉伸之后纳米晶层的微观结构及晶粒尺寸分布特征发现,拉伸过程中伴随着应力驱动的晶粒长大。结合较大的延伸率表明,晶粒长大可以作为纳米晶的有效变形机制,并对纳米晶的整体力学行为造成影响,导致拉伸过程中的软化以及塑性改善。
(6)通过室温SMGT能够将45钢表面铁素体晶粒短轴尺寸细化至100 nm,并导致珠光体中的渗碳体片层长轴的减小。通过低于两相区温度的退火使SMGT样品表层铁素体内的过饱和碳原子重新析出为渗碳体颗粒,并结合碳原子扩散实现了超细晶铁素体基体上均匀分布纳米尺度的渗碳体颗粒。因此,通过室温SMGT和退火的结合,更加有效地实现了超细晶铁素体和渗碳体片层的球化。