分享：表面纳米化是否生成纳米晶

何家文 (西安交通大学材料学院,西安 710049) 

摘 要:喷丸或滚压和摩擦磨损的表面具有相同本质,都是冷加工导致组织细化。20世纪七八 十年代从摩擦学角度对表面变形组织进行了系统研究,所得结论已成为材料学教材中的重要内容。 21世纪初纳米风带动表面纳米化(SMAT)研究,忽视已有成果,认为变形细化的组织就是纳米晶。 早期研究已经明确,变形后组织细化的尺度对性能影响不大,关键因素是其错角,SMAT 却仍然强 调纳米化尺度越小越好;摩擦学研究认为要获得纳米晶则表层转动要达到一定值,但此种转动将破 坏连续性导致表层材料剥落。当SMAT 认识到错角是决定性能的关键,并通过超强滚压处理获得 大错角纳米晶时,材料表面已布满裂纹。重点讨论了表面形变结构的本质和特征,指出用动态再结 晶机理解释纳米晶在位错胞壁生长的观点是错误的,并从胞壁和晶界对位错阻力不同的角度说明 胞和晶在 Hall-Petch关系中的差异。 

关键词:表面纳米化(SMAT);位错胞;纳米晶;错角 中图分类号:TG113.1 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)02-0001-06

0 引 言

 21世纪初提出的表面纳米化,主 要 论 点 是 高 强度喷丸、滚压后生成纳米晶,根据 Hall-Petch关 系,晶粒越 细 强 度 越 高,可 以 延 缓 裂 纹 萌 生,提 高 疲劳强度。无论是喷丸、滚压处理工艺,亦或是摩 擦磨损,本质上都是加工硬化,用塑性换强度。金 属材料服役 性 能 的 基 本 准 则,是 根 据 工 况 适 当 调 节强度和塑性以实现优化。即使是如轴承等以硬 度为主的耐磨件,也需有一定塑性才能提高寿命, 表面纳米化 的 强 度 越 高 越 好 是 违 反 这 个 原 则 的。 就组织结构而言,喷丸、滚压或摩擦磨损都属于冷 1 何家文:表面纳米化是否生成纳米晶 加工,形成 的 组 织 结 构 相 似。摩 擦 磨 损 是 人 类 最 初接触到的载荷形式,远早于拉压弯扭,20世纪已 进行过大量研究。表面纳米化的文章从不提摩擦 磨损的 研 究 结 果,却 在 21 世 纪 初 纳 米 化 风 兴 起 时,以金属材 料 较 少 使 用 的 纳 米 化 这 个 名 称 作 为 其创新之 处。喷 丸 是 实 用 性 极 强 的 加 工 工 艺,但 迄今没有一款产品是按照表面纳米化的要求进行 生产的。除工程实践已经对表面纳米化作出判断 外,还有必要从金属学原理对其进行分析,才能对 其有一个全面认识。

 1 摩擦学组织结构研究成果

 20世纪七八十年代对摩擦磨损的组织结构进 行了系统研究。1986年1篇总结前10a摩擦磨损 组织结构的文章明确指出,表面变形得到的是位错 胞或亚晶[1]。当年用铜块和铁环作相对摩擦,在速 度1cm·s -1、载荷66N 下滑动12m 后得到的组织 如图1所示。铜块表层晶粒在相对滑动中变形生成 位错胞,深度8μm 处的位错胞呈现沿滑动方向拉 长的形态,深度15μm 处的趋于等轴状。当时已经 得出明确结论:摩擦磨损的冷加工表面,除保留下来 的原始晶界外,组织结构就是位错胞。 ABDULSTAAR 等[2] 采 用 电 子 背 散 射 衍 射 (EBSD)观察纯铝变形结构,如图2所示。纯铝变形 时先在原始铝晶粒内生成缠结的高能位错,随后自 发转化成稳定的低能位错胞。原始晶界和新生位错 图1 与铁环摩擦后铜块形变层组织以及深度8,15μm 处的位错胞形态[1] Fig 1 Microstructureofdeformedlayer a andmorphologyofdislocationcellsindepthof8μm b and15μm c of copperblockafterfrictionwithironring 1 图2 纯铝变形层的微观结构变化及其示意[2] Fig 2 Microstructurechangeanditsdiagramsindeformedlayerofpurealuminum a withtangleddislocationsinsideofgrains b with dislocationcellsinsideofgrains c schematicoftangleddislocationsand d schematicofdislocationcells 2 2 何家文:表面纳米化是否生成纳米晶 胞间最显著的差别是错角,即相邻两个晶粒或位错胞 间的位向差。图3是纯铝变形后表层的错角分布概 率,可见存在明显的分界:少量原始晶粒的错角均大于 15°,大量新生成的位错胞错角小于15°,亦即可以用15° 来区分位错胞和原始晶粒。应注意,15°只是多数金属 获得的经验值,不同金属可能在此数值上下变动。 图3 纯铝变形表面的错角分布概率[2] Fig.3 Frequencyofmisorientationanglesfordeformed surfaceofpurealuminium [2] 图4 表面纳米化提出的纳米晶形成示意[3] Fig.4 SchematicofnanocrystallineformationbySMAT [3]

 2 表面纳米化对纳米晶生成的误解

 表面纳米化描述纳米晶的形成过程如图4 [3]所 示,位错从缠结到形成位错胞,再在位错胞壁生核成 长为纳米晶,所以纳米晶比位错胞小,两者关系如图 5 [4]中小尺度部分所示。图5中大尺度部分,比胞大 的晶是原始晶粒。这种胞比晶小又比晶大的不自洽 现象,并没有在电镜观察中得到证实,21世纪的电 镜照片(图1)中没有出现比位错胞小的纳米晶。从 金属学原理分析,图4前3个小图所示的生成位错 胞或亚晶的过程是正确的,但其后在位错胞壁处形 核进行动态再结晶(DRX)是不可能的。动态再结 晶指一边加工一边再结晶,静态再结晶是加工后再 结晶。只要是再结晶,无论形核或长大都需要原子 进行长程扩散,这要在再结晶温度以上进行。冷加 工不可能有长程迁移,也就不会发生动态再结晶,只 可能发生回复。回复是位错在其可动范围内做的降 低能量的短程移动,例如从缠结到形成位错胞,或胞 内位错向胞壁移动之 类。图 6 [5]给 出 了 常 规 喷 丸 (覆盖率200%)和强喷丸(覆盖率1300%)下的组 织结构差异,当 喷 丸 覆 盖 率 由 200% 变 成 1300% 时,位错由缠结变为位错胞,这就是在喷丸过程中发 生了动态回复导致的,其组织和图1(a)中的相似, 完全没有再结晶的痕迹。此外,图5夸大了位错胞 的尺度,传播纳米晶比位错胞小的观点,而这是不符 合事实的。 图5 表面纳米化提出的胞和晶的尺寸[4] Fig.5 SizeofcellandgrainbySMAT [4] 图6 不同覆盖率喷丸后高强低合金钢的表层组织[5] Fig.6 Microstructuresinsurfacelayerofhighstrength lowalloysteelbydifferentpeeningcoverage [5] 位错胞和晶粒的不同在20世纪已经作了明确表 述。通常由铸造、退火或再结晶得到的为常规晶粒, 其晶界如图7 [6]所示,晶界很窄,只有一两个原子厚 度,相邻两侧晶粒的取向差大于15°。冷加工变形生 3 何家文:表面纳米化是否生成纳米晶 图7 镍晶粒和晶界形貌[6] Fig.7 Morphologyofnickelgrainandgrainboundary [6] 成的位错胞壁和常规晶界显然不同,如图8 [7]所示, 胞壁中含有很多位错,故松散且厚,厚度比常规晶界 厚度大3~4个数量级,甚至和位错胞的尺寸不相上 下。形成这种结构的原因可以认为是:当两侧的位错 胞取向差小于15°时,有可能通过胞壁中的位错分布 协调两侧取向差,使其保持连续过渡;当两侧取向差 大于15°时,就超出协调范围,成为常规晶界。 图8 铜中位错胞和胞壁形貌[7] Fig.8 Morphologyofdislocationcellsandcellwallofcopper [7] 另一个问题是20世纪既然重视错角,为什么不 区分位错胞和纳米晶,而都称为位错胞。其原因可能 是:位错胞或纳米晶间的错角都是空间分布,一个位 错胞或纳米晶在周边有很多近邻。如果有一两个近 邻间的相互错角小于15°,另几个又大于15°,就难以 界定此处是位错胞还是纳米晶,故15°只具统计学意 义,不宜用于区分个体组织。此外,未强调纳米晶,也 可能和20世纪的金属研究很少涉及纳米有关,但这 也给表面纳米化形成纳米晶学说带来了机遇。

 3 关键参数在于错角 

应该强调的是20世纪并未注重位错胞的尺度 是否是纳米量级,而是更注重其错角大小。在没有 EBSD技术的条件下,研究人员花费很大精力用菊 池线测定了位错胞间的错角。图9 [8]中线上的数字 就是相邻组织间的方位错角。图9(a)为摩擦转动1 周后的组织状态,相当于正常喷丸强化的组织结构; 图9 摩擦装置转动不同周后铜变形层的组织结构[8] Fig 9 Microstructuresofdeformedlayerofcopperafterfriction devicerotatingfordifferentcycles a onecycleand b 100cycles 8 图9(b)为摩擦转动100周后的,相当于严重磨损组 织[8]。图10 [8]为图9中铜外表层的放大形貌,从摩擦 转动1周增加到100周,位错胞的大小没有变化。实 际上,加工变形使表面纳米化是个伪命题,因为用砂纸 轻轻打磨至强力喷丸程度,形变组织的尺度就能达到 纳米级。图10也表明,提高变形量,其组织特征的改 变不在尺度而在错角。图10(b)中的错角超过15°,按 图3的分类,这时才可以认为形变组织为纳米晶。 图10 图9中最外表层组织放大 Fig 10 Magnificationoftop-mostlayerinFig 9 a onecycleand b 100cycles 错角随变形强度增加而增大是由于滚压或摩擦 磨损时,表层出现转动(见图11 [1])所致。喷丸时丸 4 何家文:表面纳米化是否生成纳米晶 图11 相对滑动时铜表层的转动[1] Fig.11 Rotationofsurfacelayerofcopperinrelativesliding [1] 粒从不同方向射入,随着喷丸强度提高转动角也会 增大。图12 [1]给出了图9中摩擦转动次数由1周 增加到100周时,表层材料相对于y 轴的转动角度 最大值从80°提高到160°的实例。表面纳米化提出 的高能或高强度喷丸,就是试图通过强喷丸以增大 转动角,从而获得纳米晶,实现 Hall-Petch关系。 图12 摩擦装置转动不同周后铜表层的转动角随深度的变化[1] Fig 12 Changesofrotatinganglewithdepthofsurfacelayersof copperafterfrictiondevicerotatingfordifferentcycles a 1cycleand b 100cycles 1 20世纪为什么重视错角而不论位错胞大小,是 因为二者对力学性能有着不同的影响。图13 [9]给 出了位错穿过厚度d 为40~80nm 位错胞壁的阻 力,可见阻力只和胞间错角有关而与胞的大小无关。 晶界对位错的阻力不同,位错可以穿过胞壁但无法 穿过晶界,只能在晶界处塞积,如图14 [10]所示。当 聚集的力可以启动相邻晶粒的另一个滑移系时,变 形才继续向前传播,因此晶界对变形造成很大阻力。 图13 不同厚度位错胞壁对位错的阻力随错角的变化[9] Fig.13 Changesofresistantstressesagainstdislocationofcell wallsofdifferentthicknesswithmisorientationangle [9] 图14 沿滑移带方向晶界对位错的阻力随距晶界距离的变化[10] Fig.14 Changeofresistantstressesofgrainboundaryagainst dislocationwithdistancefromboundaryalongsliphanddirection [10] 晶粒越小,晶界越多,位错阻力越大,强度越高,这也 就是 Hall-Petch关系的机理。 图15 镍滚压后的错角分布[11] Fig.15 Distributionofmisorientationanglesofcoldrollednickel [11] 

4 表面生成纳米晶属严重磨损态

 图4中的纳米晶形成机理与实际不符,当然不可 能用试验证明。为了获得大错角的纳米晶,对镍进行 高强度 滚 压 处 理,由 EBSD 获 得 的 错 角 分 布 如 图 15 [11]所示。大于15°的错角达到80.9%,可以说是形 成了纳米晶。但是冷作硬化一向是强化伴随损伤的, 在这样的滚压强度下形成的损伤也必须和以往摩擦 磨损试验结果进行比较。图16(a)是图9中铜经摩擦 转动100周的切应变分布,图16(b)是高强度滚压镍 的切应变分布,切应变是指图17中的剪切变形角γ, 5 何家文:表面纳米化是否生成纳米晶 用弧度表示。经100周转动的铜和高强度滚压镍的 表面切应变分别为10.0rad和57.6rad。前文已经说 明,经100周转动的铜已处于严重磨损状态。高强度 滚压镍的表面切应变是铜的5.76倍,表面将生成大 量磨屑。因此,SMAT 追求表面达到纳米晶,获得的 却是严重磨损的材料。 图16 铜摩擦转动100周和镍滚压后的表层切应变分布 Fig 16 Shearstraindistributioninsurfacelayersofcopper afterfrictionfor100cycles a andofcoldrollednickel b 图17 切应变表述 Fig.17 Descriptionofshearstrain

 5 结束语

 (1)20多a前磨损表面的组织结构研究已达到 很高水平,仅从总结性文献[1]就可以发现:表面纳 米化的观点并无创新性。 (2)强变形使表面达到纳米化是个伪命题,因 为只要变形,组织都会细化到纳米级,变形程度对组 织大小没有影响。 (3)表面纳米化强调的是纳米尺度,但力学性 能研究表明位错胞大小对性能无影响,关键参数是 其错角。 (4)表面纳米化声称利用 Hall-Petch关系进行 强化,因此必须获得纳米晶;但其形成纳米晶的表面 是严重磨损表面。 (5)将喷丸改名为SMAT 以标榜其创新性,但 20a来无一款产品应用于生产。

 来源：材料与测试网