金屬材料中梯度結構的研究資料

金屬材料中梯度構造的爭論摘要：對近年來金屬材料梯度結構的研究進展作了簡要綜述，介紹了梯度結構的制備工藝，以及梯度結構對金屬材料性能的影響。探討了梯度結構在基礎科學中存在的問題，并對其在工業(yè)中的應用做了展望。關金鍵屬詞材：料；梯度結構；制備工藝；性能近年來，超細晶、納米晶金屬材料的研究已較為成熟，由于其大量界面(如孿晶界、晶界)的存在，表現出與金屬粗晶材料截然不同的物理化學性能[1]。在不改變材料化學成分的情況下，通過細化晶粒獲得超細晶、納米晶能使金屬材料的硬度及強度顯著提高，是制備高強度金屬材料的有效途徑。然而，在晶粒細化過程中大量缺陷的產生是不可避免的，這導致超細晶、納米晶金屬材料在擁有高強度的同時塑性、韌性降低。這些性能缺陷制約了超細晶、納米晶金屬材料的應用和發(fā)展[2]。最研究指出，對金屬材料的結構單元(如片層厚度、晶粒尺寸等)進行多層構筑，可使金屬材料表現出超細晶、納米晶結構高強度和高硬度性能的同時保留粗晶結構的塑性與韌性。梯度結構是多層構筑重要的類型之一，梯度結構是指材料中結構單元的尺寸在空間上呈梯度變化的結構[3]。當金屬材料結構尺寸降低到一定程度時，會產生例如磁性轉變?yōu)榉谴判?、導體轉變?yōu)榉菍w等性能上的突變。通過在金屬材料中制備梯度結構，能使不同尺寸的結構單元之間相互作用、相互協調，從而避免這種性能突變的產生1。梯度結構的制備工藝1.1梯度的物理或化學沉積常用的物理沉積方法有濺射沉積、激光沉積等。在這些方法中，使用不同的實驗參數會導致金屬材料組織與結構有顯著區(qū)別，因此可通過對實驗參數的控制達到化學成分或微觀組織梯度分布的效果。將TiC相通過激光沉積的方法梯度分布在基體中，形成TiC成分梯度結構。這種結構使材料表面硬度提升了1.5倍，同時高溫耐磨性也顯著提高[4]。常用的化學沉積方法有化學氣相沉積(CVD)、電化學沉積等。動力學是影響化學沉積材料中組織與結構的主要因素，因此可通過對動力學的控制達到化學成分或微觀組織梯度分布的效果。通過電化學沉積的方法在灰鑄鐵表面制備出了納米Al2O3/Ni+Co梯度復合涂層，在10、30、50N三個載荷下，梯度復合圖層的耐磨性均優(yōu)于純鎳鈷涂層[5]。Al2O3在基體中的梯度分布使材料的顯微硬度及耐磨性顯著提高。1.2梯度的塑性變形塑性變形能使材料中的位錯大量增殖，變形過程中位錯之間的交互作用使材料產生大量晶界及亞晶界，從而將原始粗晶組織逐步分割成細晶組織，達到晶粒細化的效果[6-7]。塑性變形過程中通過降低變形溫度，增加變形量，提高變形速率，均可使金屬材料的組織細化更充分。因此，控制塑性變形過程中的上述參數便能實現材料結構單元的梯度分布。由于塑性變形過程中一般不存在化學成分的變化，所以梯度塑性變形主要通過在金屬材料中形成晶粒梯度、孿晶梯度、片層梯度來強化材料整體性能。Wu等[9]通過表面機械研磨方式對無間隙原子鋼進行處理，形成了120μm厚的梯度晶粒結構層，使材料的屈服強度提高2.6倍2。梯度結構對材料性能的影響2.1強度及塑性如何獲得高強高塑材料已經成為材料科學界一大難題，材料具有較高強度的同時塑性往往很低，反之亦然。梯度結構的出現，為解決這一問題提供了有效途徑。研究表明在IF鋼[9]及316不銹鋼[10]等材料中制備出晶粒尺寸呈梯度分布的結構，能使材料強度提高的同時塑性基本不降低。Wu等[8]研究發(fā)現，梯度晶粒結構材料在拉伸過程中出現加工硬化率上升的現象，這種額外的加工硬化在結構均勻的材料中并不存在。研究表明，材料中不同結構單元在拉伸過程中經受的應變狀態(tài)也不同。由于梯度結構材料存在許多不同的結構單元，形成不同應變狀態(tài)，從而產生了應變梯度。材料中的應變梯度能促進幾何必須位錯的堆積，幾何必須位錯與可動位錯之間相互作用使位錯儲存能力提升，產生了額外的加工硬化。利用表面機械碾磨處理(SMGT)在純銅粗晶棒材表面制備出厚達750μm的梯度晶粒結構,含有梯度晶粒結構的純銅樣品拉伸屈服強度是粗晶純銅的1倍[3]，同時塑性與粗晶純銅樣品一致。由強度Hall-Petch關系可知，材料的屈服強度與晶粒尺寸成反比。梯度結構層細小的晶粒使其具有很高屈服強度，從而提高了材料整體的屈服強度。單獨的梯度結構層強度高、塑性低，然而具有梯度結構層的純銅樣品整體拉伸塑性十分良好。在樣品拉伸過程中，高強度的細晶組織由于其大量的缺陷存在容易形成應變集中。在梯度結構材料中，細晶組織和粗晶組織的相互作用以及應力、應變的二次分布能有效抑制這種應變集中和初期的頸縮，使裂紋萌生時間延后，從而使材料整體表現出良好的塑性。同時由于粗晶組織在樣品中所占比例很高，對材料整體的塑性貢獻十分巨大。粗晶組織良好的加工硬化能力、塑性變形能力及承受應變能力也是材料整體塑性表現良好的原因之一。2.2硬度由經典硬度Hall-Petch關系可知，材料的硬度與晶粒尺寸成反比關系。假設金屬材料中晶粒尺寸梯度變化時，硬度也隨之變化，從而形成硬度梯度。在無間隙原子鋼樣品120μm的梯度晶粒結構層中，硬度隨晶粒尺寸的減小從0.3GPa逐漸增加至2.7GPa[8]。界面強化只是數種強化方式的一種，通過使強化相梯度分布形成的成分梯度結構也存在硬度梯度。例如在純Ni梯度片層結構樣品中[11]，硬度由粗晶片層的1.5GPa梯度增加至6.4GPa。由經典Archard磨損定律可知，材料磨損面的硬度與耐磨性成正比。在材料表層制備出梯度結構層的鋁合金[12]及純銅[13]樣品都表現出了優(yōu)越的耐磨性。在較低載荷下耐磨性提高3～4倍，當載荷較高時，受梯度結構層厚度的限制耐磨性提高不明顯。梯度結構中存在比粗晶結構更多的晶界，在合金化過程中晶界能為化學反應提供形核位置，同時由于其更高的界面過剩能為組織內化學反應提供了額外驅動力，降低了合金化溫度。同時梯度結構總存在比粗晶結構更多的缺陷，在合金化過程中的缺陷能為原子擴散提供更多的通道，縮短了合金化所需的處理時間。梯度結構這些特性能使合金化更簡單、有效的應用與金屬材料中，拓展了合金化的應用范圍。從文獻[14]中兩種純鐵樣品在300℃下經9h氣體滲氮后的橫截面照片可明顯看出，粗晶純鐵樣品〔表面并沒有氮化物形成。具有梯度結構的純鐵樣品表面形成了約10μm厚的氮化物層。Tong[13]等研究了Fe和38CrMoAl經SMAT表面自身納米化處理后的離子氮化的過程。實驗結果表明Fe和38CrMoAl的離子氮化溫度被分別降至300、400℃。表明梯度結構層顯著降低了合金化處理溫度。在280～340℃內測試Zn在純鐵梯米結構層中的擴散行為[16]。結果表明，梯度結構層中Fe-Zn化合物層生長激活能為108.0kJ/mol，粗晶純鐵中Fe-Zn化合物層的生長激活能為167.1kJ/mol，梯度結構層反應所需的激活能及起始溫度均比粗晶純鐵低，且梯度納米結構中Fe-Zn化合物的生長速度顯著高于粗晶純鐵基體中的生長速度。3應用與展望梯度結構金屬材料表現出許多優(yōu)異的性能，如強度、塑性、硬度、磨損性和合金化等。為加工工藝的研發(fā)及材料的制備提供了一條嶄的途徑。目前，梯度結構的高疲勞性能和耐磨性能已經初步應用與工業(yè)生產中。部分工廠在軸承軸徑處制備出梯度結構層，提高軸承過渡段的抗疲勞強度，使工件整體使用壽命提高。目前，關于梯度結構的研究仍然存在許多基礎科學及工業(yè)應用問題。由于梯