《材料科技写作》课程论文

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金属材料的表面纳米化

摘要:随着社会的不断发展以及科学技术的进步，近年来，金属材料在我国各个行业都有了非常大的发展，在使用金属零件的过程中，不可避免的磨损将影响其使用寿命与质量。研究发现，金属材料的磨损主要是存在于表面，其磨损性能和表面结构之间的关系非常紧密，通过对表面纳米化技术的应用，将纳米技术应用在金属材料的表面，能够在材料表面对纳米的结构表层进行制定，进而对金属材料的耐磨性作一提高。基于此，本文将对表面纳米化对于金属材料耐磨性的影响进行分析和研究，具体阐述表面纳米化的原理，深入探究表面纳米化对金属耐磨性的影响，同时分析表面纳米化未来的发展趋势，希望有助于我国经济的不断发展。

关键词：表面纳米化；金属材料；耐磨性；

Surface nanocrystallization of metallic materials

Liu Zikang

Jiamusi university School of materials science and engineering Jiamusi 154000

Abstract：With the continuous development of society and the progress of science and technology, in recent years, metal materials have developed greatly in various industries in China. In the process of using metal parts, the inevitable wear and tear will affect its service life and quality. It is found that the wear of metal materials mainly exists on the surface, and the relationship between the wear properties and surface structure is very close. Through the application of surface nanocrystallization technology, the nano-technology is applied to the surface of metal materials, the utility model can formulate the surface layer of the nano structure on the surface of the material, thereby improving the wear resistance of the metal material. Based on this, this paper will analyze and study the influence of surface nanocrystallization on the wear resistance of metal materials, elaborate the principle of surface nanocrystallization, and probe into the influence of surface nanocrystallization on the wear resistance of metal materials, at the same time, the development trend of surface nanocrystallization in the future is analyzed, hoping to contribute to the continuous development of Chinas economy.Key words:Surface nanocrystallization; metal materials; wear resistance;

1.0引言

表面的纳米化技术以及表面的纳米化材料两者都具备一定的独特优势，表面纳米化技术运用的是常规的表面处理技术，在进行工业制造方面不具备非常明显地技术限制，表面的纳米晶组织以及基体组织两者之间并没有非常明显的界面，也就不会产生剥层与分离的现象，表面纳米化不但可以在材料整体中进行运用，还可以在局部中进行运用。

2.1表面纳米化的原理

1.1表面纳米化的基本原理（表面机械法）

在金属材料的表面进行重复的作用并增加载荷，致使金属材料表面的自由能得到提升，进而形成塑性变形以及细化颗粒。金属材料的表面受到接触应力的作用，就会“激活”表面的某种滑移系，并且会生成密度较高的位错。如果变换金属接触应力实际方向，表面会“激活”另外一种特有的滑移系，进而生成与该方向对应的位错。

1.2表面纳米化的形成过程

第一，受到接触应力的作用，由于金属表面会生成高密度的位错，会形成剪切带；第二，在位错的重组与湮灭下，小晶界会逐渐形成大晶界，或者形成相对独立的小晶粒；第三，相邻晶粒间具体的取向会发生相应的变化，使得材料表面的取向具有随机性。基于上述的过程，经过交替重复、相互作用，便能使材料表面的晶粒升级为纳米级别，实现表面纳米化[1]。

3.2表面纳米化对金属耐磨性的影响

表面纳米化技术就是改变金属材料表面的结构与组织，进而提高表面的耐磨性。事实上，金属耐磨性受其自身稳定性、抗腐蚀性、力学性能等因素的影响，具体内容如下。

2.1 影响金属材料表面的力学性能

将表面纳米技术应用在金属材料中，其表面会形成纳米层，进而提高金属的强度与硬度，并且不会影响材料内部的粗晶结构，大幅提高金属材料的力学性能。将表面纳米化应用在低碳钢的表面，会使其自身的刚度提高3倍甚至以上。该研究结果表明，对低碳钢进行表面纳米化处理，90min以后，其延伸率、屈服强度比纳米化之前有了相对明显的变化，各项数据趋于平稳且变化微小；当纳米化180min以后，低碳钢的延伸率仅仅下降了4%，而其自身的屈服强度则提升了35%。另外，对316L不锈钢实行表面纳米化，其效果与低碳钢的效果相似，不锈钢的屈服强度由原来的280MPa提升到了550MPa。

图1表面纳米化前后样品屈服强度和伸长率岁处理时间的变化

2.2 影响金属材料表面的抗疲劳性

表面纳米化能够有效提高金属表面的硬度，并且远远高于其心部硬度。对于金属材料来说，增强其自身的硬度便能有效提高其耐磨性，但是同时也会产生一定的负面影响。所谓的金属疲劳就是零件经过长时间的应力循环，其表面形成裂缝，如果不对其进行处理，最终会导致断裂。经过表面纳米化处理以后，其中的纳米晶结构能够从根本上抑制金属裂缝的产生，如果发生裂缝，金属心部的粗晶结构还可以阻止裂缝的发展，从而提高金属材料的抗疲劳性能。

在研究表面纳米化对抗疲劳影响的过程中，对GCr15钢表面的耐磨性进行了测试，发现纳米化处理15 min以后，GCr15钢自身的退火态耐磨性提升了1倍，同时其磨损机制逐渐转换为磨粒磨损。另外，对20钢的表面进行了纳米化处理，并系统地分析了材料、流失等要素的变化，同时使用防腐磨损实验机研究材料的耐磨性，发现20钢表面的硬度有了明显的增加，虽然材料的表面会发生软化，但经过抛光处理以后，在提高强度的同时会增加表面的活性，进而提高金属材料的耐磨性。

2.3 影响金属材料表面的抗腐蚀性

通过对金属材料表面的纳米化处理，能够有效提高其自身的稳定性，以此为基础，金属材料表面相关的性能与参数都发生了相应的改变，进而提高金属材料的耐磨性。在金属零件服役时，由于温度会逐渐升高，金属材料表面的纳米结构会更加稳定，但其刚度与抗疲劳性能便会下降。

经过对0Cr18Ni9不锈钢的研究，对其进行纳米化处理，同时使用不同的加热、保温方式与时间进行处理，结果发现当温度小于500℃时，金属材料表面的晶粒尺寸不会发生变化，对表层硬度的影响较小。当温度大于500℃时，硬度便会明显下降，主要是因为金属表面的组织受到反复加工、作用，形成再结晶。另外，通过研究1Cr18Ni9Ti不锈钢的纳米晶组织，发现在3.5%NaCl溶液中金属的动电位极化得到有效的改善，并且形成了抗腐蚀的钝化膜，阻止了氯离子的腐蚀性。但是，对316L不锈钢进行表面纳米化则会降低金属自身的耐腐蚀性[2]。

可见，表面纳米化对不同的金属材料有着不同的影响，活性金属在纳米化的影响下，由于活性原子的数量增加，会降低金属的耐腐蚀性；而惰性金属原子在纳米化的作用下，很容易形成密集的钝化膜，提高自身的抗腐蚀性，进而增强耐磨性。

4.3表面纳米化对耐磨性造成影响的原因

表面纳米化对材料中的表面组织以及结构的影响非常大，也因此对材料的表面摩擦造成磨损的行为。研究人员王镇波对于这方面的认识表现在，表面纳米化主要从两点对材料造成摩擦，一是由于纳米表层的强度与硬度都是非常高的，磨粒在表层中压入的深度是比较小的，在进行摩擦磨损的试验时，配副针对性地样品，其表面运动产生的阻力是非常小的，因此，表面纳米化样品自身的摩擦系数与磨粒磨损导致的磨损量都是没有被处理的，二是，由于表面纳米晶组织可以阻止裂纹的产生，然而心部所存在的粗晶组织能够将对裂纹扩展的现象进行阻止，所以，受到相同载荷的影响，表面纳米化样品比未处理的样品在耐磨性上较强。

但是并不能认为在表面纳米化过后的材料在耐磨性上就会不断提高，对于材料来说，其摩擦的行为是由纳米结构的表层厚度以及表面的粗糙度引起的，同时，和载荷之间存在紧密的联系。纳米晶能够在一定程度上对材料的耐磨性进行改善，厚度较高的纳米层有助于耐磨性的提高，然而要想具备较厚的纳米层，就要对材料表面的粗糙度以及累积损伤进行增加。受到中低载荷的影响，粗糙度如果比较大，就会对纳米化产生的作用进行抵消，还会对材料本身的耐磨性进行提高，受到高载荷的影响，粗糙度所发生的影响并不大，所以，在高载荷的背景下，对纳米表层的厚度进行增加会提高其耐磨性，当材料本身的耐磨性不断提高，就会增强自身的使用寿命，因此，非常有必要创造条件增强金属材料的耐磨性。

5.4表面纳米化的发展趋势

4.1表面纳米化的发展现状

这几年来，我国在表面纳米化工艺方面的发展有了一定的进步，也有很多国内外的学者以及研究人员将表面纳米化技术应用在钢和铁与铜以及钛等金属与合金材料的表面中，主要目的是对纳米层进行制备，还在一定程度上加强了金属材料的耐磨性。

在本世纪刚刚到来时期，王镇波等研究人员在表面机械的研磨处理下，其在低碳钢的表面制备了纳米晶组织层，厚度为20μm，纳米晶粒的平均尺寸是10～20nm，对在中低载荷下的低碳钢的下干摩擦进行了减少，并在磨损量上有所降低，还减小了摩擦的系数，在一定程度上对低碳钢自身的耐磨性做了改善。此外，在载荷不断增大的前提下，表面的纳米化低碳钢的磨损机制主要从磨粒的磨损向疲劳磨损进行转变，表面纳米化技术的应用能够在一定程度上对低碳钢中的疲劳磨损进行减少。在2006年时期，王镇波等人加强了对表面纳米化的低碳钢的研究，其对材料表面存在的渗铬进行了相应的处理，并取得了非常优异的、独特的耐磨性能。在这一时期，王长顺等研究人员也利用SMAT对低碳钢表面的纳米晶层进行了研究，其厚度是40μm，对低碳钢自身的耐磨性进行了提高，表面粗糙度的因素影响被首次提出。

严伟林等研究人员通过对传统的喷丸技术进行运用，在高锰钢磨料的表面对纳米结构的表层做了研究，由于受到软磨料自身磨损条件的影响，高锰钢的耐磨性得到了显著地提高，特别是喷丸在30min以后的高锰钢，其在耐磨性上足足加强了72%，然而喷丸时间比较长的高锰钢，因为出现了微裂纹，造成其在耐磨性上不断下降。除此之外，没有被喷丸进行处理的高锰钢，其属于微观切削的磨损，但是表面纳米化的高锰钢，其是由于疲劳剥落后而发生的磨损，足以看出，在表面纳米化技术进行处理之后，利用对磨损机理的改变，提高材料的耐磨性。

葛利玲等研究人员通过对超音速的微粒轰击的应用，对40Cr调质钢做了一定的表面处理，随后，铁素体以及渗碳体内的纳米晶粒逐渐形成，晶粒尺寸已经达到10nm，在纳米层的厚度上达到40μm。

韩忠等研究人员通过对SMAT方法的利用，其在纯铜的表面制备了纳米晶层，厚度是25μm，在最表层的晶粒尺寸上是10nm。同时，该研究人员还对在室温中，Cu纳米的晶表层滑动和微动摩擦性能进行了研究，可以看出在滑动的干摩擦影响下，Cu纳米晶的表层出现摩擦的磨损性能就会比普通粗晶Cu的性能高，对于微动摩擦来说，Cu纳米晶的表层磨损量要比粗晶Cu低。受到干摩擦的影响，Cu纳米晶表的摩擦系数要比粗晶Cu明显低，受到油润滑的影响，Cu纳米晶的表层摩擦要比粗晶Cu高，主要原因是指Cu纳米晶的表层硬度比较高，进而造成油膜出现破损的现象，造成金属间的局部被直接接触所造成的。

4.2表面纳米化的发展优势

表面纳米技术凭借自身的优势，广泛地应用在工业领域中。在未来很长的时间内，我国工业乃至全球范围内的工业领域将会朝着节能、环保的方向发展，提高金属材料的利用率，落实可持续发展政策，因此表面纳米技术的发展前景较为广阔。

1）采用表面纳米化技术能够有效地提高金属零件的耐腐蚀性、耐磨性、抗疲劳性、硬度与强度，进而全面延长金属零件的使用寿命，减少检修、维护与更换的成本。

2）根据表面纳米化技术的原理，即纳米晶的粗糙度与活性，对其进行沉积、电镀与喷涂等处理，能够有效增强二者之间的结合程度，避免发生剥落等现象，通过这样的方式，很可能会研发出新型的金属材料。

3）将化学方式与表面纳米化技术相结合，可以有效地降低化学处理的成本，使得精密的金属零部件在无变形的化学处理中，提升其自身的功能与性能。同时，将化学方式与表面纳米技术相结合，能够在金属表面形成负向表层，这样的方式有望为取代昂贵金属材料提供全新的途径。

4）将表面纳米技术应用在异种金属的焊接中，利用纳米晶粒较高的扩散速率以及超塑性效应，可以有效缩短焊接的时间并降低焊接的温度，进而消除或者控制焊接应力、母材晶粒与化合物的厚度等对金属的影响。将焊接技术与表面纳米化结合起来，能够为异种金属的焊接提供全新的方式，打破了传统的焊接模式，并且弥补了以往焊接技术的不足，对提高焊接性能、强度与效率具有重要的意义，并且为金属工程的发展开辟了另一条途径[3]。

6.5结束语

综上所述，在金属材料中，对摩擦进行不断地减少，并在一定程度上促进金属材料自身耐磨性的提高，能够加强机械设备自身的可靠性和工作性能，还能对其寿命进行延长，还能节约能源与原材料，促进了我国经济的进一步发展。就目前的发展情况来看，我国在工业应用以及国防建设方面都有了非常大的发展，其对于金属材料在耐磨性上的要求非常高，因此，要不断加强对于金属材料耐磨性的提高，从而促进我国经济的发展。

[参考文献]

[1]刘晓宁,王宇.金属材料表面纳米化对腐蚀性能的影响[J].热处理技术与装备,2008(5):17-20.

[2]申金科.局部表面纳米化提高金属板强度研究[D].大连:大连理工大学,2015.

[3]王超.聚合物基复合材料的制备及其耐蚀耐磨性能研究[D].大庆:东北石油大学,2015.

[4]王长顺,刘刚.低碳钢的表面纳米化组织机器性能[A].刘骁.钢铁.北京:钢研柏苑出版有限责任公司,2006.63.

[5]欧仕荣,蔡志强.表面纳米化对金属材料耐磨性的影响分析[A].薛云琴.现代工业经济和信息化.山西:山西经济和信息化出版传媒中心,2017.17.

[6]赵坤.论表面纳米化对金属材料耐磨性影响[A].刘松柏.江西建材.江西:江西省建筑材料工业科学研究设计院,2017.20.

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