简介概要

表面机械研磨工业纯钛表面纳米化研究

来源期刊：稀有金属2009年第6期

论文作者：何晓梅张聪惠

关键词：表面机械研磨; 工业纯钛; 表面纳米化机制; surface mechanical attrition treatment(SMAT); commercial pure titanium (CP-Ti); nanocrystallization mechanism;

摘要：表面机械研磨处理可以使工业纯钛形成纳米表面层, 通过扫描电镜、透射电镜和高分辨电镜观察SMAT处理后的工业纯钛表层组织, 并研究了工业纯钛表面纳米化机制. 工业纯钛表面纳米化机制为: 孪晶的形成和孪晶的交割使得原始晶粒尺寸减小, 同时使晶格取向发生改变, 有利于位错滑移; 孪晶通过自身交割, 以及位错密度增加及其相互作用, 形成了细小的孪晶与胞状组织; 胞状组织转变为多边形亚晶; 亚晶不断吸收位错形成大角度晶界, 亚晶以及取向不同的细小孪晶逐渐转变为随机取向的纳米晶.

稀有金属 2009,33(06),769-773

表面机械研磨工业纯钛表面纳米化研究

何晓梅

西安建筑科技大学冶金工程学院

摘要：

表面机械研磨处理可以使工业纯钛形成纳米表面层, 通过扫描电镜、透射电镜和高分辨电镜观察SMAT处理后的工业纯钛表层组织, 并研究了工业纯钛表面纳米化机制。工业纯钛表面纳米化机制为:孪晶的形成和孪晶的交割使得原始晶粒尺寸减小, 同时使晶格取向发生改变, 有利于位错滑移;孪晶通过自身交割, 以及位错密度增加及其相互作用, 形成了细小的孪晶与胞状组织;胞状组织转变为多边形亚晶;亚晶不断吸收位错形成大角度晶界, 亚晶以及取向不同的细小孪晶逐渐转变为随机取向的纳米晶。

关键词：

表面机械研磨;工业纯钛;表面纳米化机制;

中图分类号： TG580.68

收稿日期：2008-09-08

基金：国家自然科学基金重点项目 (5043430);陕西省教育厅专项基金项目 (08JK317) 资助;

Mechanism of Surface Nanocrystallization of Titanium during Surface Mechanical Attrition

Abstract：

A nanostructured surface layer was obtained by surface mechanical attrition treatment (SMAT) .The microstructural evolution of the SMAT sample was analyzed by means of scanning electron microscope (SEM) , transmission electron microscope (TEM) and high-resolution electron microscope (HRTEM) .A grain refinement mechanism was proposed as follows: the formation of twins and twin-twin intersection induced the decrease of the original grain size;the lattice orientation changed and was in favor of dislocation slip;with the delivery of twins, the interaction of twins with dislocation and the increase of dislocation density, the refined twins and cystiform microstructure were formed;the cystiform microstructure became polygonal ultracrystal;the ultracrystal became large-angle crystal boundary by continually absorbing dislocations, the refined twins with different orientation and the ultracrystal gradually transformed to nanocrystal of random orientation.

Keyword：

surface mechanical attrition treatment (SMAT) ;commercial pure titanium (CP-Ti) ;nanocrystallization mechanism;

Received： 2008-09-08

表面纳米化 ^[1] 即利用各种物理或化学方法将材料的表层晶粒细化至纳米级, 制备出具有纳米晶粒结构的表层, 但是基体仍然保持原有的粗晶状态, 借以提高材料的表面性能, 如疲劳强度、抗蚀性和耐磨性等。

表面机械研磨 (简称SMAT) 技术是近年来研究较热的一种表面自身纳米化方法。这种方法通过外加的塑性变形使材料表面产生纳米晶层。用SMAT制备的材料, 有高强度、高表面硬度、良好的摩擦性能等优点, 且材料致密、内部没有杂质污染。

钛是一种有很多优秀属性的稀有金属, 钛和钛合金在航天航空 ^[2,3] 、海洋工程、汽车机械 ^[4] 、医疗器械 ^[5] 等方面有着广泛的用途和良好的发展前景。但众所周知, 工业纯钛的耐磨损性能差, 这一性能阻碍了它的进一步应用。用SMAT技术制备出的表面纳米化纯钛, 不仅提高了钛的耐磨损性能, 而且降低了工业纯钛的弹性模量和动态模量, 这对于降低其应力遮挡效应、提高生物力学相容性有着重要意义 ^[6] 。

本文主要研究了工业纯钛在SMAT处理过程中的晶粒细化机制。一般来说, 在SMAT处理过程中, 材料本身的属性决定了其纳米化的具体过程, 其中的主要因素包括晶体层错能的大小和晶体结构类型 ^[7] 。高层错能立方系金属, 以纯铁为例 ^[8] , 纯铁的塑性变形方式为位错运动。中等层错能立方系金属, 以纯铜为例 ^[9] , 纯铜的变形方式主要是位错运动, 机械孪生只发生在表面附近应变量较大的、晶体学取向不适合位错运动的晶粒中, 其作用主要是调整晶粒取向, 使晶粒碎化易于以位错运动方式进行。较低层错能立方系金属, 以316L不锈钢为例 ^[10] , 位错运动和机械孪生。低层错能立方系金属, 以304不锈钢为例 ^[11] , 主要是机械孪生。

纳米化的过程不但和层错能有关, 还和晶体结构有关。以上研究均是对于立方系金属, 而对于层错能高、对称性差的六方系金属钛的细化机制还存在不同的理论。这是由于钛的层错能为300 mJ·m^-2, 属于高层错能金属, 按对立方晶系研究规律, 其变形机制应为位错运动, 即在外加载荷作用下, 产生了大量的高密度位错随着变形量的增加, 位错的重组和泯灭使得最初的粗大晶粒被细分为小角度亚晶, 最终, 在表面形成了一个亚稳态的纳米晶粒层。但是工业纯钛为hcp结构、对称性较低的金属, 只有4个独立的滑移系, 根据von-Mises准则, 金属发生均匀塑性变形时至少需要5个独立滑移系。在工业纯钛变形中, 变形孪晶在各种温度下均起着维持多晶塑性流变作用 ^[12] 。工业纯钛在SMAT过程中的晶粒细化过程并不是单一的位错或孪晶作用的结果。

1 实验

实验材料是厚度为10 mm的退火态工业纯钛 (TA2) 板材, 化学成分如表1所示。将板材切割成的表面纳米化试样, 在表面纳米化处理前对工业纯钛进行除锈、去油、磨边等处理。

表1 试验用工业纯钛的主要化学成分 (%, 质量分数)

Table 1Chemical composition (%, mass fraction) of CP-Ti

Brand	O	N	C	H	Fe	Si	Ti
TA2	0.15	0.05	0.05	<0.015	<0.30	<0.15	Bal.

利用SMAT技术对工业纯钛进行处理, 工艺参数如下: 系统的振动频率为50 Hz, 不锈钢弹丸直径为3 mm, 处理时间30 min。利用JSM-6700扫描电镜观察试样横截面组织, 采用JEM-200CX透射电子显微镜及JEM-2100F高分辨透射电子显微镜对SMAT处理试样的显微组织进行分层观察。

2 结果

2.1 扫描

SMAT处理后工业纯钛的横截面扫描电镜照片如图1所示。可以从图1中看出: 主要的形变方式为孪生, 其密度和形貌随距表面的深度发生规律性的变化, 越接近表层, 形变孪晶越多, 交割程度越严重, 而且越接近表层, 孪晶越细小, 直至分辨不清。大致可以将处理后的试样组织沿层深分为3个部分: 看不清组织的剧烈变形区、过渡的形变孪晶区和近似基体等轴晶区, 这个划分只是一个相对的概念, 3个分区之间并没有清晰的界线。可以看到, 剧烈塑性变形区, 所有的组织都已破碎到无法看清, 形貌如图1 (b) 所示; 在形变孪晶区, 形变孪晶清晰可辨, 孪晶的宽度、长度及交割情况都可以看清; 近基体组织, 其形貌与原始样相比, 没有明显变化。

2.2 透射

为直观观察表面纳米晶粒尺寸和形貌, 我们利用JEM-200CX透射电子显微镜和JEM-2100F高分辨透射电子显微镜观察了SMAT处理工业纯钛表面层的微观结构。

图2为SMAT处理工业纯钛最表层的高分辨明场像和选区电子衍射谱。由图2可以看出: 经SMAT处理后, 工业纯钛表层晶粒达到纳米量级, 且晶粒是等轴的, 晶粒平均尺寸约10 nm, 略小于X射线衍射得到的平均晶粒尺寸; 其200 nm选区内的电子衍射斑点成环形, 表明在所选的200 nm区域内有多个晶粒共存, 且各晶粒之间具有随机的大角度晶体学取向差, 属于大角度晶界。

由图3 (a) 可知, 在距处理表面约15 μm处, 晶粒尺寸急剧增加到200 nm左右, 而且大小很不均匀, 形状极不规则。在距处理表面约30～60 μm处 (图3 (b) , 图3 (c) ) , 可观察到含有大量位错胞的平行或相交的板条晶。在距处理表面约150处 (图3 (d) ) , 观察到大量平行或交叉的孪晶。这些孪晶边界平直、晶内分布有大量的位错, 在孪晶交割处位错密度更高。通过电子衍射可知孪晶之间存在位相差。在距处理表面约250 μm处 (图3 (e) ) , 晶内的位错密度明显降低, 只能观察到极个别的孪晶。

3 讨论

工业纯钛变形时, 随温度和应变的变化, 可以出现{1012}, {1121}, {1122}和{1011}孪生面。在接近于基体处形变量较少时, 孪生为主要变形机制 ^[13] 。但在孪生变形中原子扩散受到限制, 孪生对变形贡献很小, 大部分塑性变形靠滑移来实现 ^[14,15] 。 Ti 在低温塑性变形时, 进行孪生变形, 可以产生15%的塑性变形 ^[16] 。这一点已被图1证实, 在本研究中, 试样的变形量随着距被处理面的距离的增加而减小, 孪晶主要出现在变形量不大的区域。

结合透射电镜像可以看出: 在小应变量下孪生相对较少, 但是尺寸较大, 部分孪晶贯穿整个晶粒, 有集结成板条束状或相互交叉成栅栏结构; 随应变量增加, 孪晶数量明显增多, 出现孪晶的晶粒数量也增多, 孪晶尺寸变小, 开始出现碎化现象; 随应变量继续增加, 孪晶数量进一步增多且进一步变短小, 出现了交叉堆挤状的孪晶团, 晶粒被碎化。这一过程是靠不断萌生新的孪晶来实现。

上述图像分析表明: 在孪晶中存在大量位错, 且在孪晶晶界处聚集着高密度位错。当应变量达到一定程度时, 即位错密度达到一定值时, 这些位错的分布将逐渐调整到能量较低的稳定状态, 位错胞转变成具有小角度晶界的多边形亚晶 (图3 (a) ) 。应变量进一步增加, 多方向载荷重复作用, 亚晶不断地吸收位错, 取向差逐渐增加形成大角度晶界, 接近表面处生成等轴纳米晶 (图2) 。最终, 在表面形成了一个亚稳态的纳米晶粒层。也有研究者认为 ^[13,17] , 纳米晶是由于动态再结晶形成。虽然动态再结晶一般只发生在材料的高温塑性变形中, 但提高应变量和应变速率可降低再结晶温度。因此, 在大应变和高应变速率条件下, 动态再结晶有可能在室温发生。 SMAT这种剧烈塑性变形方式通过高速率多方向载荷的反复作用下能够在材料宏观变形量很小的情况下, 在材料表层累积巨大的微观变形, 促使动态再结晶发生。