潘高峰　龐景和　王成

摘要：本文對(duì)金屬材料表面納米化處理后的材料性能研究進(jìn)行了論述，主要從力學(xué)性能和物理化學(xué)性能方面對(duì)性能研究進(jìn)行了歸納和總結(jié)，并對(duì)表面納米化材料性能進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：納米表面化；性能，進(jìn)展

中圖分類號(hào)：G17；TB33

文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

文章編號(hào)：1001-828X（2016）036-000330-02

納米材料被定義為物理尺度在1-100nm范圍內(nèi)的一類材料，結(jié)構(gòu)特征較為獨(dú)特，決定了納米材料具有較好的力學(xué)性能，且物理化學(xué)性能較為突出。二十世紀(jì)末期，我國首先明確了金屬表面納米化這一重要概念，并將納米表層結(jié)構(gòu)構(gòu)造于金屬材料上，并具有提高金屬材料的某些力學(xué)性能等潛在應(yīng)用價(jià)值，因納米結(jié)構(gòu)特性，使得金屬材料的抗疲勞、耐磨、耐腐蝕等許多性能得以改善和提高，因此，近年來形成了廣泛的研究金屬表面納米化的熱潮?；谝陨戏治觯P者對(duì)金屬表面納米化材料的重要性能展開了全面探討，并對(duì)其性能的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

一、表面納米化材料的力學(xué)性能

將納米化材料運(yùn)用于金屬表面，能夠通過納米層的形成對(duì)金屬層組織機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定的改良作用，使金屬表層厚度與硬度有所增加，再加上金屬材料內(nèi)層的塑性非常強(qiáng)，使金屬材料的整體力學(xué)性能得以明顯提升與改善。Liu等人通過拉伸試驗(yàn)表明，對(duì)低碳鋼表面進(jìn)行納米化處理后，在伸長率、屈服強(qiáng)度等方面均明顯改善，與納米化處理之前相比較來看，低碳鋼的屈服強(qiáng)度提升了至少30%，在斷裂延伸率上能夠保持不變；閆鵬勛等通過對(duì)磁過濾等離子體設(shè)備的研制，于正常室溫環(huán)境中將納米結(jié)構(gòu)TiN薄膜制備在不銹鋼表面，結(jié)果顯示TiN晶粒尺寸在30-50nm，沉積的TiN薄膜表面非常平整光滑，硬度遠(yuǎn)高于粗晶TiN硬度；Chen等對(duì)316奧氏體不銹鋼進(jìn)行了表面機(jī)械研磨納米化加工，拉伸試驗(yàn)證明處理后試樣的屈服強(qiáng)度高達(dá)是未處理試樣屈服強(qiáng)度的2倍；王志平等人通過對(duì)超音速微粒轟擊技術(shù)的充分運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)16MnR低合金鋼焊接接頭與OCrl8Ni9Ti不銹鋼表面的納米化處理，研究顯示，相對(duì)于樣品芯部而言，經(jīng)納米化處理，母材、焊縫處以及熱影響區(qū)的表層硬度發(fā)生了明顯提升，甚至硬度提升至2倍。

二、表面納米化金屬材料的抗疲勞性

通常情況下，對(duì)金屬鍍層表面疲勞性能產(chǎn)生制約的主要原因，第一，表面薄層在基體與界面上會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力而更趨于產(chǎn)生裂紋；第二，表面細(xì)化晶?？梢宰柚沽鸭y產(chǎn)生，但不利于阻止裂紋的擴(kuò)展。表面納米化是將材料的表層晶粒細(xì)化至納米尺度而基體仍然保持原粗晶狀態(tài)，金屬材料進(jìn)過納米化處理后，表面形成的納米晶組織結(jié)構(gòu)能有效的抑制裂紋的萌生，而基體的粗晶組織結(jié)構(gòu)又能組織裂紋的縱向擴(kuò)展，從而提高材料的抗疲勞性能。如Wang等采用表面機(jī)械研磨的方法在低碳鋼表面制得一層納米晶層，在不同載荷條件下并證明其耐磨損性明顯提高，摩擦系數(shù)減小。Roland等采用表面機(jī)械研磨法對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行納米化處理，研究表明在表面層產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，納米晶組織阻止了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，延緩了裂紋形核，從而提高了材料的疲勞壽命；何柏林等對(duì)16MnR焊態(tài)和超聲沖擊態(tài)（納米化）十字接頭進(jìn)行了疲勞性能的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明沖擊態(tài)十字接頭的條件疲勞極限相對(duì)于焊態(tài)時(shí)的提高了49%左右，接頭的疲勞壽命延長了45-52倍。金屬材料表面的納米化處理有助于提高其抗疲勞性能，疲勞性能對(duì)材料的表面結(jié)構(gòu)和性能非常敏感，在工程上應(yīng)用的金屬材料功能失效多數(shù)發(fā)生在材料的表面，所以，對(duì)金屬材料表面的納米化處理，能夠?qū)ζ浔砻娼Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有效改善，并改進(jìn)其整體性能。

三、表面納米化對(duì)材料抗腐蝕性

金屬材料表面經(jīng)過納米化處理后，電化學(xué)穩(wěn)定性直接關(guān)系到其使用的安全性和長久性。表面納米化處理改變了材料表面的組織結(jié)構(gòu)，表面的納米晶組織具有大的比表面積，擁有大量的亞穩(wěn)定態(tài)晶界，晶界能量較高，表面活性較強(qiáng)，原子數(shù)較多，對(duì)周圍環(huán)境比較敏感，活性金屬參與腐蝕反應(yīng)的活性原子增加，使材料易于發(fā)生腐蝕反應(yīng)，可以通過迅速鈍化來阻止其腐蝕進(jìn)程，因此對(duì)金屬材料的防腐有促進(jìn)作用。而對(duì)于惰性金屬，表面更易形成致密的鈍化膜，反而可以提高材料的抗腐蝕性能。如王吉孝等采用超音速微粒轟擊技術(shù)對(duì)16MnR低合金鋼焊接接頭表面進(jìn)行納米化處理，表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)表層晶粒尺寸平均為12.6nm，通過抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂恒負(fù)荷拉伸試驗(yàn)，顯著提高了抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能；陸曉峰等對(duì)CrSMo鋼表面采用超聲噴丸技術(shù)進(jìn)行納米化處理，研究了納米化處理前后試樣在含H2S流動(dòng)去離子水溶液中的流動(dòng)加速腐蝕狀況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米化處理后材料的抗流動(dòng)加速腐蝕性能明顯增強(qiáng)，材料表面生成了致密的腐蝕產(chǎn)物膜，但隨著納米化處理時(shí)間的推移，在表面容易產(chǎn)生溝壑，增加粗糙度甚至出現(xiàn)微裂紋，這都會(huì)破壞腐蝕產(chǎn)物膜的完整性和致密性，從而使材料腐蝕性能下降；王天生等用噴丸表面納米化處理1Crl8Ni9Ti不銹鋼試樣，并在3.5%NaCl溶液中的腐蝕性能進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明試樣的極化行為得到了顯著改善。

四、表面納米化對(duì)材料的熱穩(wěn)定性

表面納米化材料的納米晶層是一種非平衡狀態(tài)，表面納米化層的熱穩(wěn)定性一直都是科研人員研究的熱點(diǎn)，也是關(guān)系到表面納米化技術(shù)能否實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要問題。如柳文波等通過表面機(jī)械研磨處理在低活化鐵素體鋼的表面形成了一層納米晶，經(jīng)550°C的回火實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示納米晶具有良好的熱穩(wěn)定性，回火120min后的晶粒異常長大，回火240min后的晶粒比較均勻（約250nm），納米化過程中碳化物被細(xì)化；葛利玲等采用超音速微粒轟擊技術(shù)對(duì)0Crl8Ni9不銹鋼試樣進(jìn)行了表面納米化處理，并對(duì)試樣進(jìn)行熱處理和低溫氣體滲氮處理，結(jié)果表明，納米化試樣表層形成厚約250um的變形區(qū)，表面組織為納米晶，變形同時(shí)表面發(fā)生了馬氏體相變，表面硬度明顯提高，試樣經(jīng)450°C熱處理后，納米晶未發(fā)生明顯粗化，馬氏體量減少很小，硬度保持穩(wěn)定，因而具有良好的熱穩(wěn)定性，晶粒細(xì)化、馬氏體相變及其良好的熱穩(wěn)定性有利于實(shí)現(xiàn)低溫快速滲氮，使?jié)B層厚度明顯增加，表層硬度得到進(jìn)一步提高，硬度分布梯度也得到了改善；胡蘭青等利用高能噴丸技術(shù)在A1-Zn-Mg合金上制備出納米晶結(jié)構(gòu)表層，結(jié)果表明高能噴丸處理后，在樣品表層獲得了等軸、隨機(jī)取向的納米晶粒，表層納米晶結(jié)構(gòu)層在250°C真空退火后，有大量納米級(jí)析出相析出，晶粒長至300nm左右，表現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性。盡管如此，納米材料的晶粒長大機(jī)理分廠復(fù)雜，除了晶粒穩(wěn)定性因素外，界面能降低、晶格畸變等也是影響納米晶體熱穩(wěn)定性的重要因素，還需要對(duì)納米材料熱穩(wěn)定性的影響機(jī)制進(jìn)一步深入研究。

五、表面納米化材料性能的未來展望

現(xiàn)如今，科學(xué)技術(shù)不斷更新與進(jìn)步，納米表面化技術(shù)也獲得快速發(fā)展，通過對(duì)金屬材料表面的納米化處理，對(duì)其表面特性進(jìn)行改善，在使材料表面獲得較高的力學(xué)性能、物理化學(xué)性能的基礎(chǔ)上，人們開始對(duì)納米涂層自身的獨(dú)特性能引起越來越多的關(guān)注，可以說，納米化技術(shù)的應(yīng)用，使金屬材料及其器件的生產(chǎn)方法發(fā)生相應(yīng)變化。就納米尺度而言，通過對(duì)其尺寸的有效把控對(duì)金屬材料表面的性能進(jìn)行有效改善，進(jìn)而使其形成性能優(yōu)良、功能獨(dú)特的宏觀結(jié)構(gòu)。就目前階段而言，對(duì)金屬材料納米化處理的研究尚處于初級(jí)階段，且研究理論并不成熟，就當(dāng)前研究理論而言還存在些許問題，要想進(jìn)一步將納米化技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，還需要很長的一段路去走。因此，應(yīng)不斷進(jìn)行技術(shù)更新，創(chuàng)新發(fā)展理念，不斷順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展潮流，以此創(chuàng)新對(duì)納米技術(shù)的科學(xué)運(yùn)用與研發(fā)。