表面機(jī)械研磨處理對金屬材料微觀組織、相變及性能的影響.pdf

1、本文利用新興的表面機(jī)械研磨技術(shù)，對純Ni金屬、純Co金屬、Fe-30wt％Ni合金與Fe-23.4Mn-6.5Si-5.1Cr(wt％)合金進(jìn)行相應(yīng)的表面處理。結(jié)合光學(xué)金相、X射線衍射、掃描電鏡與透射電鏡等表征技術(shù)，以及DSC、電阻、磁性以及拉伸實驗等性能測試方法，研究表面機(jī)械研磨處理前后的微觀組織、相變特征以及磁學(xué)和力學(xué)性能變化。 經(jīng)過表面機(jī)械研磨處理，在純Ni金屬、純Co金屬、Fe-30wt％Ni合金與Fe-23.An-6.

2、5Si-5.1Cr(wt％)合金表面均會發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，變形程度隨深度增()而減小，并可以獲得約15-20μm厚度的納米表層，因此可以視為具有納()體特征的材料。 不同類型的金屬與合金呈現(xiàn)不同的納米化過程中的組織演變。低層錯能Fe-30wt％Ni合金的納米晶形成機(jī)制以及應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變的特征具體表述如下。透射電鏡觀察結(jié)果表明：在Fe-30wt％Ni合金中，大量的位錯線形成位錯纏結(jié)、位錯胞，位錯胞連接形成小角度晶界，隨變形程

3、度進(jìn)一步增加，小角度晶界轉(zhuǎn)化成大角度晶界從而形成納米晶粒。Fe-30wt％Ni合金在表面機(jī)械研磨處理過程中，表面還會發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變，值得注意的是，應(yīng)變誘發(fā)的馬氏體形貌是位錯類型的，與通常的孿晶馬氏體不一樣。而且應(yīng)變誘發(fā)的馬氏體也經(jīng)歷奧氏體納米化的同樣過程。如果首先進(jìn)行表面激光重熔處理，會使得表層晶粒細(xì)化，在隨后表面機(jī)械研磨處理過程中，應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變在細(xì)化晶粒中發(fā)生，由于小晶粒內(nèi)的應(yīng)力集中，從而可以誘發(fā)出更多的馬氏體，由此加速

4、了納米化進(jìn)程。Fe-23.4Mn-6.5Si-5.1Cr(wt％)合金也具有低的層錯能，可通過應(yīng)變誘發(fā)ε(hcp)和α(bcc)馬氏體，在表面機(jī)械研磨處理過程中，γ(fcc)母相可以直接應(yīng)變誘發(fā)大量位錯類型α(bcc)馬氏體，而不是必需通常先形成ε(hcp)馬氏體，再由ε(hcp)馬氏體交截形成α(bcc)馬氏體。晶粒通過兩種途徑得到細(xì)化：(1)通過應(yīng)變誘發(fā)板條狀的ε(hcp)馬氏體的交割細(xì)化了奧氏體晶粒和其本身再轉(zhuǎn)變?yōu)檩^細(xì)小的應(yīng)變誘發(fā)

5、的α(bcc)馬氏體。(2)由γ(fcc)母相和ε(hcp)馬氏體應(yīng)變誘發(fā)的α(bcc)馬氏體再通過位錯纏結(jié)形成小角度晶界，隨變形程度進(jìn)一步增加，小角度晶界轉(zhuǎn)化成大角度晶界從而形成納米晶粒，最終樣品由納米晶α(bcc)馬氏體構(gòu)成。 對純Co金屬和Fe-30wt％Ni合金的正逆馬氏體相變進(jìn)行的系統(tǒng)研究表明：經(jīng)表面機(jī)械研磨處理后的純Co金屬，納米尺度內(nèi)晶粒尺寸對As點的影響可以近似表示為經(jīng)驗公式：TAs=456.86-293.28/

6、d(15nm≤d≤100nm，d是晶粒尺寸)。當(dāng)α(hcp)相的晶粒尺寸小于15nm時，將會保持優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，直到815℃左右才開始發(fā)生逆相變，由此納米晶低溫相在高溫穩(wěn)定性的現(xiàn)象首次被揭示。當(dāng)高溫相β(fcc)的晶粒尺寸小于臨界晶粒尺寸(約為35nm)時，它們就會在從高溫冷卻到室溫過程中保持穩(wěn)定，甚至冷卻到-196℃也不發(fā)生馬氏體相變，然而，如果繼續(xù)進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理，β(fcc)→α(hcp)馬氏體相變將會繼續(xù)發(fā)生，這揭示出納米晶

7、的β(fcc)高溫相具有良好的低溫?zé)岱€(wěn)定性，但是在應(yīng)力狀態(tài)下卻是亞穩(wěn)的。Fe-30wt％Ni合金與純Co金屬一樣，經(jīng)過表面機(jī)械研磨處理之后，也會觀察到納米晶低溫相在高溫存在熱穩(wěn)定性問題，其逆相變溫度與原始粗晶材料相比被提高了440℃。這與已報導(dǎo)的Fe-Ni粉體和薄膜納米晶逆相變的結(jié)論不同。 通過與純Ni金屬、純Co金屬及液氮深冷的Fe-30wt％Ni合金的磁性能的對比，揭示了影響磁性能的因素。表面機(jī)械研磨處理所造成的殘余微觀內(nèi)應(yīng)

8、力和超細(xì)晶粒僅僅顯著影響矯頑力，而點陣結(jié)構(gòu)與組成成分的變化則對飽和磁化強(qiáng)度和矯頑力均有顯著影響。通過納米晶低溫相在高溫穩(wěn)定性的特征，提出了提高鐵磁性合金非本征居里溫度的設(shè)想，并且在Fe-30wt％Ni合金(作為Fe-Ni合金系的一個例子)中得以實現(xiàn)，使該合金比所報導(dǎo)的居里溫度(590℃)提高了240℃，這一設(shè)想被DSC，高溫XRD所證實，由此極大地提高該合金在磁性應(yīng)用溫度范圍。通過這種設(shè)想，同時使得(hcp)Co的居里溫度得以提高，由此

9、展現(xiàn)低溫相(hcp)相在高溫的磁學(xué)行為，這在傳統(tǒng)粗晶中是不可能實現(xiàn)的。此外，對純Ni金屬的研究表明，表面機(jī)械研磨處理后，納米塊材的居里溫度高達(dá)700℃，比粗晶Ni塊體的居里溫度提高了350℃，由此表明，納米尺度內(nèi)的晶粒尺寸也可以提高鐵磁性材料的本征居里溫度。 由純金屬Ni和Fe-30wt％Ni合金不同深度層試樣的拉伸曲線發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過表面機(jī)械研磨處理，屈服強(qiáng)度隨著深度的增加而顯著降低，類似于Hall-Petch關(guān)系；抗拉強(qiáng)度變化不大