采用表面机械研磨技术(SMAT)对304不锈钢进行表面纳米化处理,利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、透射电镜和显微硬度仪对处理后的不锈↙钢表面层组织进行表征,并在不同温度↓下对表面纳米组织的热稳定性进行研究。结果显示,经过SMAT后,表面获得了约436μm厚度的变形△层,表面●晶粒尺寸约为80nm;在SMAT处理过程中发生了应变诱发马氏体相变;表层晶粒的细化能显著提高组织的显微硬度;当保温温度在550℃以下时,表层纳米组织①具有良好的稳定性,当温度超过╳600℃时晶粒显著长大。

纳米晶体材料是指晶粒大小在纳米级别(100nm以内)的ξ单晶或者多晶材料。由于纳米块体材料的制备成本高☉、工艺复杂,所以研究人员将注意力集中于在材料表面制备一定厚度的纳米晶,即◆表面纳米化,并以此强化材料♀的表面,减少例如疲劳、腐蚀、磨损等一些从表面开始的失效。目前实现表面纳米化的方法主要分为表面自纳米化∴、涂层或沉积表面纳米▓化和混合纳米化,其中表面自纳米化制得的纳米层的化学成分与基体一致,不存在界面◥污染、孔洞等▓缺陷,与此同时,纳米层和基体之间结合紧密,不容易发生√脱落。综合其它研究工作,目前应用比↘较广泛的表面自纳米化方法有超声喷丸、表面机械研磨、超音速微粒轰击、激光冲击硬∑ 化等,也有一些基于普通喷丸设备的增㊣压喷丸法。本文所采用表面机械研磨(SMAT)方法,能够在块体》金属材料表面获得具有一定厚度的纳米晶组织,而且从表☆面向内部是呈梯度变化,避免组织突变引起性能降低。对表面▼机械研磨后的304不锈钢进行金相观察、扫描电镜观察←、透射电镜观察和X射线衍射,并对热稳定实验后的硬度进行测量。

1实验

1.1实验材料

本文采用的是热轧态304不锈钢板材,厚5mm,化学成分为〖0.052C,18.75Cr,8.29Ni,0.58Si,1.49Mn,0.026P,0.004S,Fe余量。机械研磨↑实验前,将材料切成100mm×100mm×5mm的块状,进行表面机械打磨和抛╱光。

1.2样品制备及表征

表面机械研磨实验采用ω 的是SNC-1型研磨实验机,主要工艺参数为振动频】率50Hz,采用8mm的不锈钢钢球,处理时间30min。利用VK-9710型激光共聚♂焦显微镜、JSM-7001F场发射台式扫描电子显微镜、PANalyticalX’PertPRO型X射线衍射分析仪、JEM-2100F型透射电子◎显微镜、HVS-1000Z型显微维氏硬度计对表面纳米化后和热处理☆后的试样进行组织结构的表征和硬度的测量。

2结果』与讨论

2.1组织分析

图1(a)、(b)分别为304不锈钢表面机械研磨前后的金相组织,由图1(a)可见,304不锈钢的原始组织【是热轧态,呈明显的显微组织,晶粒粗大,而经过表面机械∩研磨处理后,产生大量的非平衡缺陷和界面,组织从〓表面到心部依次分为强烈塑性变形层、过渡层和基体,其中最表面的强烈变形层已经无法分辨◤晶粒的大小,在过渡层可看到明显的机械孪晶组织(如图1(b)所示)。图2表示的是304不锈钢SMAT后纵截面↘的SEM形貌,图2(a)为低倍SEM形貌,可看出材料表层组织因处理而变得致密,晶粒得到细∏化,组织有明显的过渡过程,表面形成了厚度▆约436μm的变形层,其中剧烈变形层约为100μm,图2(b)为200μm深度◣处的多系孪晶。

图3(a)是距表面200μm距离处的TEM形貌及选区电子㊣ 衍射(SAED)图像,图中白色区域为原始的奥氏体相,黑白相间组织为新生的马氏体相,这是由于在弹丸对材料表面进行冲击的过程ㄨ中,发生了应变诱发的马氏体相变。由形貌图观察●到晶粒大小不均,约为200nm,且沿变形带方向,SAED图像中呈现出两相╲拉长的衍射斑点,表明奥氏体和马氏体共存的组织形貌,两相之间存在□ 一定的位相差。SMAT后出现形变孪晶组织和位错,并通过位错的〇滑移、湮灭和〓重组发生位错缠结和位错墙向亚晶界乃至晶界的转变。

图3(b)是70μm深度处的TEM形貌及选区电子衍射(SAED)图像,和200μm深度处一样,即奥氏体和马●氏体两相共存状态,但是马氏体相的分布明显比前者均匀ξ 而且形状也较规则,此处晶粒大小约为80nm(最表面是15nm),SAED图像卐呈现显著的环状,晶¤粒取向随机,说明在靠近表面的剧烈变形层中受到更大强度的冲击,更多@滑移系同时开动,促使位错在各个方向上形◇成晶界,细化晶粒。

2.2XRD分析

图4为304不锈钢表♀面纳米化前后的X射线衍射图谱,由图谱可见,表面纳米化前,样品是完全的奥▓氏体组织,表面纳米化后,材料中出现了马氏体组织,这与TEM观察到的结果一致。由XRD结果可看◥出,SMAT前后,奥氏体相的晶格常数没有变化,除此之外,在304不锈钢经过SMAT处理后,衍射峰强度减弱,并出现了明显♀宽化,衍射峰的宽化Ψ 主要由仪器宽化和物理宽化构成,而物理宽化又分为晶粒细化和微观应变两方面的原因,根据Scherrer公式,扣除仪器宽化后计算出≡处理后的晶粒大小和晶格畸变▅,具体数据见表1,表2为利用XRD数据得出的SMAT后马氏体和奥氏体体积百分比含量。

由表1可知,经过30min的表面㊣机械研磨,304不锈钢最表面形成了约15nm的超细晶,晶格畸变达到了0.49%,实现了》表面纳米化。表2说明,SMAT后试样表面产生体积分数为∞28.41%的马氏体,马氏体含量与处理压力、时间等因素相关。

2.3硬度分析

对表面机械研磨后的试样进行显微硬度测试,结果如图5所示,表面纳米化后最表面硬度达到№2HV

硬度提→高有3方面的原因:(1)因为在SMAT过程中表面晶粒得到细化,组织变得致密,产生了细晶强化的效⊙果,促使硬度的提升;(2)在SMAT的过程中,由于应变诱发马氏体相变的发生,使得组织由硬度较小的奥氏体向╱硬度较大的马氏○体转变,最终导致整体硬度的提升;(3)由于在SMAT过程中产生大量塑性变形,造成了加工硬化现象,导致硬度』提高,且由︽表面到心部,随着加工硬化程度的减小,硬度逐渐降低至与基体相同。试样表面硬度的提升在改善表面耐摩擦磨损性能以及★疲劳性能方面都有所助益,能够使试样具有更优良的综合性能。

2.4热稳定性分析

结合组织和XRD分析,在304不锈钢表¤面成功制得了纳米晶组织,这将提高原材料的综合性能。但是,众所周知纳米晶处于热力学亚稳状态,一旦材料所处的服役温度过高,就会导致〓表面纳米晶粒的长大,丧失晶粒细化所带来的优异◣性能,所以对表面纳米化后≡的材料进行热稳定性分析必不可少,这有利于确定表面纳米化后材料的使用温度。对表面纳米化后的304不锈钢进行等温退火,退火温度分别为400,450,500,550,600,700,800和900℃,退火时间均为1h,并对退火后的试样ω进行XRD分析和金相分析。

图6表示不同温度退火后的X射线衍射图谱,可见,在经过400~550℃的退火后,试样中的奥氏体和马氏体峰的▲峰强和峰宽都没№有明显变化,而经过600℃的退火后,奥氏体峰强明显增强,相对应的马氏体峰强明显减弱,说明在退火的过程中发生了马氏体相向奥氏体▂相的转变。在600℃以下该相变并不明显,但超过600℃后相变显著,由此可见,经过30min的表面机械研磨后得到的表面纳米化组织在600℃以下具※有很好的热稳定性,超过600℃就会发生相变和晶粒长大。表面纳米化后的材料具有比较高的变形储能,这可为再结晶晶粒形核和长大提供驱动力,但在再结晶温度〒以下不会产生回复和再结晶,因↑此当温度低于600℃时晶粒没有剧烈长大。

表3是表面纳米化304不锈钢不同温度退火后根据Scherrer公式ξ 计算得到的晶粒大小和晶格畸变数值。由表3可见,在经过400~550℃的退火后,随着保温温度的⌒升高,晶粒先发生缓慢长大,而后长大速度加快,但晶粒尺寸仍在纳米尺寸『范围内;同样,晶格畸变也由逐渐变小到大幅度变小;而经过600℃退火后晶粒相对于热处理前明显长大,说明在600℃以下◆的温度范围时试样保持了良好的热稳定性。但是由于X射线能够穿透的试样◤厚度有限,不能完全反应整个材料中的晶粒大小,所以表格中的数据仅能代表最表面层组织晶粒在不同温度退火后的变化情况,过渡层及基体中的晶粒变︼化则要通过金相⊙组织来表征。

图7是表面纳米化后304不锈钢在600℃退火得到□的金相组织,在距表面200μm以内的剧烈变形层,材料的组织还保持着SMAT后的致密状态,晶粒较细,肉眼无法分辨晶√粒大小;而超过200μm后的过渡层和基体组织中,晶ㄨ粒发生了再结晶和长大,大约为30μm。由于在较大的再结晶驱动力和较高的元素扩散率共同作用下,原子重新排列,使在SMAT过程中形▃成的大量位错、亚晶界、晶界在原子运动下发生滑移并产♀生回复和再结晶。

如图8所◣示的不同温度退火后试样的显微硬度数值可见,在经过400~900℃的退火后,材料的显微硬度都有所降低。

400和500℃退火后,最大显微硬度Ψ分别为316.6和301.9HV,相∞对于退火前有所降低,结合晶粒大小、晶格畸变数ぷ据和X射线衍射图谱,说明此时试样中由于晶粒没有剧烈长大,马氏体相也没有剧烈的向奥氏体转变,导致硬度没有发生显著变化;在600℃退火后的〖硬度降低明显,试样组织中马氏体大量向奥氏体转变、晶粒明显』长大、内应力释放等都是造成硬度值明显降低的∏原因;退火温度在800和900℃时,最大显微硬度分别为227.5和208.9HV,已经接⌒ 近基体的硬度值。

3结论

304不锈钢进行表面机械研磨处理,并对表面组织和性能进行表征,得到以下结论:

(1)经过30min的表面机械︽研磨处理,304不锈钢表面得到了纳米晶,表面晶粒尺寸⌒约为80nm(最表面为15nm),表面硬度显著提高。

(2)304不锈钢在▽表面机械研磨过程中发生了应变诱发马氏体相变,形成奥氏〓体和马氏体两相共存的组织状态。

(3)表面纳米化304不锈钢在600℃以下的温度∩范围内具有良好的热稳定性,超过600℃后由于马氏体向奥氏体的转变〗以及晶粒长大使表面层组织显微硬度显著下降。