金属表面纳米化材料重要性能研究进展

摘要：本文对金属材料表面纳米化处理后的材料性能研究进行了论述，主要从力学性能和物理化学性能方面对性能研究进行了归纳和总结，并对表面纳米化材料性能进行展望。

关键词：纳米表面化；性能，进展

中图分类号：G17；TB33

文献识别码：A

文章编号：1001-828X（2016）036-000330-02

纳米材料被定义为物理尺度在1-100nm范围内的一类材料，结构特征较为独特，决定了纳米材料具有较好的力学性能，且物理化学性能较为突出。二十世纪末期，我国首先明确了金属表面纳米化这一重要概念，并将纳米表层结构构造于金属材料上，并具有提高金属材料的某些力学性能等潜在应用价值，因纳米结构特性，使得金属材料的抗疲劳、耐磨、耐腐蚀等许多性能得以改善和提高，因此，近年来形成了广泛的研究金属表面纳米化的热潮。基于以上分析，笔者对金属表面纳米化材料的重要性能展开了全面探讨，并对其性能的未来发展进行了展望。

一、表面纳米化材料的力学性能

将纳米化材料运用于金属表面，能够通过纳米层的形成对金属层组织机构产生一定的改良作用，使金属表层厚度与硬度有所增加，再加上金属材料内层的塑性非常强，使金属材料的整体力学性能得以明显提升与改善。Liu等人通过拉伸试验表明，对低碳钢表面进行纳米化处理后，在伸长率、屈服强度等方面均明显改善，与纳米化处理之前相比较来看，低碳钢的屈服强度提升了至少30%，在断裂延伸率上能够保持不变；闫鹏勋等通过对磁过滤等离子体设备的研制，于正常室温环境中将纳米结构TiN薄膜制备在不锈钢表面，结果显示TiN晶粒尺寸在30-50nm，沉积的TiN薄膜表面非常平整光滑，硬度远高于粗晶TiN硬度；Chen等对316奥氏体不锈钢进行了表面机械研磨纳米化加工，拉伸试验证明处理后试样的屈服强度高达是未处理试样屈服强度的2倍；王志平等人通过对超音速微粒轰击技术的充分运用，实现了对16MnR低合金钢焊接接头与OCrl8Ni9Ti不锈钢表面的纳米化处理，研究显示，相对于样品芯部而言，经纳米化处理，母材、焊缝处以及热影响区的表层硬度发生了明显提升，甚至硬度提升至2倍。

二、表面纳米化金属材料的抗疲劳性

通常情況下，对金属镀层表面疲劳性能产生制约的主要原因，第一，表面薄层在基体与界面上会产生拉应力而更趋于产生裂纹；第二，表面细化晶粒可以阻止裂纹产生，但不利于阻止裂纹的扩展。表面纳米化是将材料的表层晶粒细化至纳米尺度而基体仍然保持原粗晶状态，金属材料进过纳米化处理后，表面形成的纳米晶组织结构能有效的抑制裂纹的萌生，而基体的粗晶组织结构又能组织裂纹的纵向扩展，从而提高材料的抗疲劳性能。如Wang等采用表面机械研磨的方法在低碳钢表面制得一层纳米晶层，在不同载荷条件下并证明其耐磨损性明显提高，摩擦系数减小。Roland等采用表面机械研磨法对316L不锈钢进行纳米化处理，研究表明在表面层产生了残余压应力，纳米晶组织阻止了位错的运动，延缓了裂纹形核，从而提高了材料的疲劳寿命；何柏林等对16MnR焊态和超声冲击态（纳米化）十字接头进行了疲劳性能的对比试验，结果表明冲击态十字接头的条件疲劳极限相对于焊态时的提高了49%左右，接头的疲劳寿命延长了45-52倍。金属材料表面的纳米化处理有助于提高其抗疲劳性能，疲劳性能对材料的表面结构和性能非常敏感，在工程上应用的金属材料功能失效多数发生在材料的表面，所以，对金属材料表面的纳米化处理，能够对其表面结构进行有效改善，并改进其整体性能。

三、表面纳米化对材料抗腐蚀性

金属材料表面经过纳米化处理后，电化学稳定性直接关系到其使用的安全性和长久性。表面纳米化处理改变了材料表面的组织结构，表面的纳米晶组织具有大的比表面积，拥有大量的亚稳定态晶界，晶界能量较高，表面活性较强，原子数较多，对周围环境比较敏感，活性金属参与腐蚀反应的活性原子增加，使材料易于发生腐蚀反应，可以通过迅速钝化来阻止其腐蚀进程，因此对金属材料的防腐有促进作用。而对于惰性金属，表面更易形成致密的钝化膜，反而可以提高材料的抗腐蚀性能。如王吉孝等采用超音速微粒轰击技术对16MnR低合金钢焊接接头表面进行纳米化处理，表征结果发现表层晶粒尺寸平均为12.6nm，通过抗硫化物应力腐蚀开裂恒负荷拉伸试验，显著提高了抗硫化物应力腐蚀性能；陆晓峰等对CrSMo钢表面采用超声喷丸技术进行纳米化处理，研究了纳米化处理前后试样在含H2S流动去离子水溶液中的流动加速腐蚀状况，实验结果表明纳米化处理后材料的抗流动加速腐蚀性能明显增强，材料表面生成了致密的腐蚀产物膜，但随着纳米化处理时间的推移，在表面容易产生沟壑，增加粗糙度甚至出现微裂纹，这都会破坏腐蚀产物膜的完整性和致密性，从而使材料腐蚀性能下降；王天生等用喷丸表面纳米化处理1Crl8Ni9Ti不锈钢试样，并在3.5%NaCl溶液中的腐蚀性能进行了试验，结果表明试样的极化行为得到了显著改善。

四、表面纳米化对材料的热稳定性

表面纳米化材料的纳米晶层是一种非平衡状态，表面纳米化层的热稳定性一直都是科研人员研究的热点，也是关系到表面纳米化技术能否实际应用的一个重要问题。如柳文波等通过表面机械研磨处理在低活化铁素体钢的表面形成了一层纳米晶，经550°C的回火实验结果显示纳米晶具有良好的热稳定性，回火120min后的晶粒异常长大，回火240min后的晶粒比较均匀（约250nm），纳米化过程中碳化物被细化；葛利玲等采用超音速微粒轰击技术对0Crl8Ni9不锈钢试样进行了表面纳米化处理，并对试样进行热处理和低温气体渗氮处理，结果表明，纳米化试样表层形成厚约250um的变形区，表面组织为纳米晶，变形同时表面发生了马氏体相变，表面硬度明显提高，试样经450°C热处理后，纳米晶未发生明显粗化，马氏体量减少很小，硬度保持稳定，因而具有良好的热稳定性，晶粒细化、马氏体相变及其良好的热稳定性有利于实现低温快速渗氮，使渗层厚度明显增加，表层硬度得到进一步提高，硬度分布梯度也得到了改善；胡兰青等利用高能喷丸技术在A1-Zn-Mg合金上制备出纳米晶结构表层，结果表明高能喷丸处理后，在样品表层获得了等轴、随机取向的纳米晶粒，表层纳米晶结构层在250°C真空退火后，有大量纳米级析出相析出，晶粒长至300nm左右，表现出较好的热稳定性。尽管如此，纳米材料的晶粒长大机理分厂复杂，除了晶粒稳定性因素外，界面能降低、晶格畸变等也是影响纳米晶体热稳定性的重要因素，还需要对纳米材料热稳定性的影响机制进一步深入研究。

五、表面纳米化材料性能的未来展望

现如今，科学技术不断更新与进步，纳米表面化技术也获得快速发展，通过对金属材料表面的纳米化处理，对其表面特性进行改善，在使材料表面获得较高的力学性能、物理化学性能的基础上，人们开始对纳米涂层自身的独特性能引起越来越多的关注，可以说，纳米化技术的应用，使金属材料及其器件的生产方法发生相应变化。就纳米尺度而言，通过对其尺寸的有效把控对金属材料表面的性能进行有效改善，进而使其形成性能优良、功能独特的宏观结构。就目前阶段而言，对金属材料纳米化处理的研究尚处于初级阶段，且研究理论并不成熟，就当前研究理论而言还存在些许问题，要想进一步将纳米化技术广泛应用于现代工业生产中，还需要很长的一段路去走。因此，应不断进行技术更新，创新发展理念，不断顺应时代的发展潮流，以此创新对纳米技术的科学运用与研发。

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