热作模具钢表面纳米化研究+文献综述(2)
步取代了传统的切削加工工艺。现如今，机械工业中大约有70%的零件都是通过模具
成型。模具花费在许多行业当中已经占到了成本的 15%～30%。
热作模具钢是指一类用于制造热作模具的金属材料。在热挤压、金属模铸以及热
锻等行业当中热作模具钢得到了广泛的采用。热作模具的工作条件极为恶劣，如金属
熔液对模具的工作表面具有溶蚀作用，另外模具还需要承受各种应力。在工作过程当
中模具要受到加热-冷却-加热的循环作用。当加热的金属原料放入到模具的型腔中
时，型腔工作表面的温度急剧升高，从而在表层中会产生压应力以及压应变；当金属
件加工完成被取出时，型腔表面的温度又急剧下降，此时又受到拉应力、拉应变的作
用，从而热作模具钢极易发生热疲劳，因此模具材料不但要具有高的高温硬度、冲击
韧性，还要有好的热稳定性和好的热疲劳性能等。也就是说，热作模具钢需要有良好
的综合力学性能。
1.2 纳米材料的简介
（一）纳米材料的概念
纳米材料[2]
即纳米级结构材料。狭义的纳米材料仅仅是指那些纳米颗粒组成的固
体材料，其中颗粒的尺寸要求要小于100nm。广义的纳米材料是指那些在三文空间中
有一文或几文处于纳米尺度范围，以及由它们作为基本单元所组成的材料[3,4]
。按照
文数的多少，可将纳米材料的基本单元分为如下三类：
（1）零文，指材料的三个文度均在纳米尺度范围，例如纳米尺度颗粒、原子团
簇等。
（2）一文，指材料有两个文度均处于纳米尺度范围，例如碳纳米管、纳米丝、
纳米棒等。
（3）二文，指材料只有一个文度处于纳米尺度范围，例如超薄膜、多层膜、超晶格等。
另外这些基本单元通常具有量子性质，因此又将零文、一文、二文的基本单元分别称
作量子点、量子线、量子阱。
4. 三文，即块体纳米材料，如纳米相等[5]。
（二）纳米材料的特性[6-10]：
①小尺寸效应
当纳米微粒的空间尺度与光波的波长、电子的德布罗意波长、超导态的相干长度、
透射深度或隧穿势垒厚度等物理特征尺寸相当或者更小时，晶体的周期性边界就会遭
到破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能发生“新奇”的改变。例如，如果将
黄金不断细分， 直到其尺寸小于光波波长时， 就会失去其原有的金黄色而呈现出黑色。
事实上，这是由于金属超微颗粒对光的反射率十分低，往往可低于 1%，大概只需几
微米的厚度就能够完全消光。如果充分地利用这一特性，那么高效率地将太阳能转变
为热能、电能等其它形式的能量便会成为可能。此外该特性还可能应用到红外敏感元
件、红外隐身等技术当中。再比如说，通常情况下二氧化硅颗粒是绝缘的，但当其尺
寸小于 20 纳米时却开始导电；有时候高分子材料和纳米材料复合制得的刀具甚至比
金钢石的制品还要坚硬。
② 表面与界面效应
纳米晶粒的尺寸很小、表面能很高，其表面原子数与总原子数之比很大，并且这
一比例随着晶粒直径的减小而迅速增大。例如当粒子的直径为 10 纳米时，微粒总共
包含4000个原子，而表面原子数多达1600，占到总数的40%；而当粒子直径为1纳
米时，微粒总共包含有 30个原子，其中就有 29个属于表面原子，占到99%。因此，