316L不锈钢表面纳米化性能研究(2)
2 实验方法 7
2.1旋转加速喷丸机 7
2.2分析与测试方法 8
3 旋转加速喷丸制备表面纳米层 10
3.1实验材料与工艺参数 11
3.2微观形貌分析 12
3.3显微硬度分析 14
3.4拉伸分析 17
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 绪论
1.1本课题研究背景
一般来说，金属工程材料的许多性能对于其材料本身的结构十分敏感，尤其是对于其表面结构。工程结构材料的失效往往始于材料表面，例如疲劳、磨损、断裂、锈化等[1]。假如能够通过表面加工技术在材料表面获得具有一定厚度的纳米结构层，就可以利用纳米材料的优异性能使得材料的整体性能和环境服役能力得到提高。
表米纳米化是通过对材料表面进行机械加工或热处理，如表面涂覆、表面改性或表面复合处理，改变材料表面的组织结构、表面形态和所处的应力状态，从而获得具有优良表面性能的材料。因此，表面纳米化技术的研究为传统材料性能的改善提高和新型材料的开发提供了可靠的理论保证和新思路，具有巨大的经济效益和社会意义。
目前，提高金属材料表面性能的方法有很多种，如堆焊、渗碳或渗氮、表面沉积和表面热处理等，上述处理都能实现材料的表面强度的提高，而表面纳米化技术则是一种新型的、有效的方法。表面纳米化是最近几年提出来的新概念，具有巨大的应用与开发前景，若能将表面纳米化技术应用于工业生产与生活中，能够有效提高工程构件的综合性能。
1.2表面纳米化介绍
1999年，卢柯、吕坚等人结合纳米晶体的概念与纳米表面工程技术，提出了金属材料表面纳米化的概念。与传统的表面改性工艺相比，表面纳米化是一种方便、高效、低成本的加工方法。金属材料表面纳米化可以在不改变基体化学成分和外观形状的基础上，制备具有纳米晶结构的表面层，以提高材料的整体性能和环境服役性能。
金属材料表面纳米化不仅能够在金属材料表面获得纳米结构层，还能有效实现常规材料的纳米化，同时巧妙地避开了制备块体纳米材料遇到的技术难题，因此对于金属材料表面纳米化技术的研究与应用具有十分重要的意义。
1.2.1表面纳米化常用方法
目前，实现表面纳米化的方法主要有三种：表面自纳米化，表面涂覆或沉积和混合纳米化[2]，如图1.1所示，下面分别作介绍。
（a）表面涂覆或沉积（b）表面自纳米化（c）混合方式
图1.1 表面纳米化常用方法
（一）表面自纳米化
表面自纳米化主要是通过对材料表面进行机械加工处理或热处理，使材料的表面层组织由粗晶态细化为纳米晶态，从而使材料的性能得到提高[3]。由于表面自纳米化不改变材料表面层的化学成分和材料的外形尺寸，因此在三种方法中应用最广。通过表面自纳米化处理获得的纳米近表面层晶粒尺寸随着距表面层深度的增加而减小，直至与基体晶粒尺寸相同。
通过表面自纳米化实现材料表面层的改性主要有两种方法：非平衡热力学法和表面机械加工处理法。非平衡热力学法是指将材料表面加热至材料的熔点或相变温度，然后对材料的表面层进行急速冷却，通过控制材料的形核率和抑制晶粒的长大速度从而在材料表面获得纳米晶结构层[4]。而表面机械加工处理法指的是对材料表面进行机械加工处理，通过对材料表面施加一定的应力或应变，使材料表面晶粒由粗晶破碎并转化为纳米晶，实现材料的表面纳米化。目前的机械加工处理法中比较成功的有：高速旋转丝塑性变形、超声喷丸、表面机械研磨处理、超声速微粒轰击、转棍压塑性变形等。