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摘要：过去的大量研究表明，结构纳米化已然成为发展高强度材料的一种有效途径。然而块体均匀纳米材料的塑性变形能力往往非常差，且制备技术复杂、成本高，使得其实际工业应用受到了限制。
关键词：有色金属；表面机械研磨；概述；研究
1前言
表面机械研磨可在高频率、多方向载荷作用下，在金属材料表面通过强烈的塑性变形而得到一层无孔隙、无污染，且与基体无结合界面的纳米晶层，从而提高材料的综合力学性能和行为。
2 SMAT技术概述
SMAT技术由传统喷丸工艺发展而来，两者均是采用弹丸撞击的方式对材料表面进行改性，但是在设备组成和技术原理等方面有所区别。材料在经过SMAT处理之后会形成独特的梯度纳米结构，不同特征尺寸结构的相互作用和协调可优化并提高材料的综合性能。由于结构和性质各异，不同种类金属及合金在SMAT处理过程中的晶粒细化机制必然会有所差别。
2.1 SMAT设备原理
SMAT设备主要由振动发生器和盛放弹丸并固定样品的容器组成。振动发生器以50~20000Hz的频率驱动容器并使弹丸产生共振，不间断地以不同角度撞击被处理材料的表面。弹丸的材料和尺寸因被处理材料的性能而异，通常选用GCr15(或玻璃、陶瓷)制成准1~10mm的球形弹丸。弹丸的速度可根据弹丸尺寸、样品位置和振动频率调节，通常为1~20m/s。材料表层在弹丸的高速撞击下产生高应变速率的塑性变形。循环往复的撞击致使材料中不同的滑移系或孪晶系开动，大量的位错运动或孪生行为不断分割粗大晶粒，从而达到表面纳米化的目的。为防止被处理样品表层发生氧化或被空气中杂质污染，通常将容器抽成真空或充满氩气、氮气等惰性气体。
2.2组织结构特征
在SMAT过程中，大量弹丸以随机方向撞击试样表面的不同区域，每次撞击都会在接触点产生应力场，使材料表面各个位置发生局部塑性变形。但是在厚度方向上，应变和应变速率随着与表面距离的增加而逐渐减小，材料的变形沿厚度方向逐渐减弱，最终形成由表及里逐渐变化的梯度纳米结构，且通常将其分为4层：纳米结构表层、细化的亚微晶层、变形细化的微晶层和基本没有变化的基体。目前的研究表明，有色金属及合金材料经SMAT得到的梯度纳米结构主要分为两种基本类型：①晶粒尺寸从表面到心部逐渐增大的梯度纳米晶粒结构；②孪晶密度从表面到心部逐渐减小的梯度纳米孪晶结构。另外，由这些基本结构可形成复合梯度纳米结构，即晶粒尺寸和孪晶密度同时呈梯度变化。
2.3晶粒细化机制
利用SMAT技术实现表面纳米化的实质是使材料表面发生严重塑性变形，增加自由能，从而细化原始粗大晶粒至纳米量级。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆金属材料塑性变形的主要方式是位错滑移和孪生，不同种类材料在SMAT过程中的变形方式各有差异，研究者们对铜、铝、镁、钛等金属及合金SMAT处理后的组织结构进行观察，发现变形方式主要取决于结构类型和层错能。通常材料的滑移系越多，越易在不同的方向上发生变形，因此某种程度上来说材料的结构决定了其变形能力和主要变形方式。另外，层错能会影响位错的组态，也会对变形方式产生重要影响。滑移系多且层错能高的材料（Al、Ni），其塑性变形方式通常为位错滑移，材料首先会产生位错墙和位错胞，然后演变成亚晶界，分割粗晶粒，最后细化晶粒至纳米量级，形成梯度纳米晶粒结构。滑移系少且层错能低的材料（Co）则位错滑移较困难，但更易在外加载荷的驱动下孪生变形，由应变量和应变速率的区别生成了不同密度的孪晶，最终使材料形成梯度纳米孪晶结构。对于滑移系多但层错能较低或滑移系较少而层错能高的金属材料（Cu、Mg），其晶粒细化往往由位错滑移和机械孪生协调进行，并形成晶粒尺寸和孪晶密度同时呈梯度变化的复合梯度纳米结构。
3试验方法
试验材料为厚度为5mm的AZ91D铸态镁合金，其化学成分（质量分数）为：Al8.63%，Zn0.66%，Mn0.29%，其余为Mg。采用SNC-1金属材料表面纳米化试验机对材料进行处理，在容器中放置大量的球形弹丸，容器的上部固定试样，下部与振动发生装置相连。工作时，弹丸从各个方向以较大的能量与试样碰撞。本试验中选用的参数如下：弹丸直径为6mm，振动频率为50Hz，处理时间分别为7.5min和30min。采用日本理学RigakuD/MAX2400X射线衍射仪对样品表面层的结构进行分析，并用H-800透射电镜（TEM）及JEM-2010高分辨透射电子显微镜（HRTEM）观测样品纳米晶组织的形成过程。金属薄膜样品的制备先用机械研磨，之后再用离子减薄。
4结果及讨论
4.1 XRD分析
图1所示为AZ91D镁合金样品表面机械研磨不同时间表面的X射线衍射图谱。从图中可以看出，同铸态的粗晶粒相比，表面机械研磨后的试样X射线Bragg衍射峰中不论是α相和还是β相都发生了明显宽化，这是由晶粒细化、微观应力增加引起的。
4.2 TEM分析
SMAT样品的横截面组织。经过SMAT后，材料表面附近发生了强烈塑性变形，变形程度随深度的增加而逐渐减小，整个变形层的厚度约为40μm。在变形层之下是AZ91D合金原始的铸态组织，是由α相和β相组成的，β相不连续的分布在α相的晶界处。从图中还可以看出不论是α相还是β相都依变形量而发生不同程度的碎化，与前面XRD中α相和β相衍射峰的宽化相对应。因此可通过横截面样品的TEM观测揭示出组织演化过程。
取表面机械研磨处理30min的样品进行显微组织结构观察。由图可见，晶粒内部形成了大量的位错缠结区，位错呈不均匀分布，将晶体分成许多高位错密度和低位错密度的区域。
在变形层中观察到的亚晶结构。其晶界清晰可见，但晶界不平直，呈现出厚的消光条纹，这和高的弹性应力和近晶界区晶格畸变有关。表面机械研磨处理后样品表面层的TEM明场像及选区电子衍射花样。可以看出，表面机械研磨处理后，样品表层的晶粒尺寸均匀，为等轴晶粒，尺寸约为40nm。由相应的点弧状的衍射花样可知，各晶粒的取向随机，表明晶粒之间具有较大的取向差。以上观察表明，随着距表层距离的减小，变形组织由距表层较深处的亚晶粒变为约200nm的大角晶粒到变为近表层的40nm的晶粒。在变形初期，应变量较小，主要以位错的滑移为主要的变形形式。但由于镁合金的层错能很低，尤其是其基面层错能低（10mJ?m-2），扩展位错宽度大，位错一般很难从位错网中解脱，也较难通过交滑移和攀移来进行异号位错间的整合，进而完成能量递减。位错较难运动的结果，使再结晶的形核率增加。随应力的增加，在三叉晶界处由于变形的不协调而堆积了大量的位错，造成局部的应力集中，但变形进一步增加，应变能达到再结晶所需要的能量时，发生动态再结晶。新的再结晶晶粒形成时，既消耗了周围的畸变能，使周围的位错密度大大降低，进而消耗了变形不均匀所造成的应力集中。而在组织中出现的少量孪晶也是为了释放局部的内应力。再结晶晶粒通过位错的合并重组来提高其取向差，转变成大角度晶界，随着大角度晶界的迁移，消除部分晶界，产生等轴的再结晶晶粒。
5结束语
综上所述，通过优化材料的组织结构，SMAT可以有效提高传统金属工程材料的综合性能，在工业应用中具有巨大的开发潜力。
参考文献：
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[2]何柏林，颜亮，史建平，等．金属材料表面自纳米化及其研究现状[J]．热加工工艺，2016，38(20):22-24．
论文作者:潘远明
论文发表刊物:《防护工程》2017年第10期
论文发表时间:2017/9/13
标签：晶粒论文; 表面论文; 材料论文; 纳米论文; 弹丸论文; 梯度论文; 结构论文; 《防护工程》2017年第10期论文;