梯度納米結(jié)構(gòu)材料研究

周弦

目前，國內(nèi)外對梯度納米結(jié)構(gòu)材料的研究主要體現(xiàn)在：作用機(jī)理、制備方式、梯度納米結(jié)構(gòu)加工、實(shí)際技術(shù)應(yīng)用等方面。鑒于此，本文對梯度納米結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行概述，從闡述梯度納米結(jié)構(gòu)材料的制備內(nèi)容著手，簡單分析梯度納米結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用。

引言：梯度納米結(jié)構(gòu)是指材料的結(jié)構(gòu)單元尺寸（如晶粒尺寸或?qū)悠穸龋┰诳臻g上呈梯度變化，從納米尺度連續(xù)增加到宏觀尺度，材料宏觀上許多物理化學(xué)性能在空間上也呈現(xiàn)梯度變化。梯度納米結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的強(qiáng)度變化范圍會有很大的拓寬，因而可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的大范圍調(diào)控。同時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸的梯度變化有別于不同特征尺寸結(jié)構(gòu)（如納米晶粒、亞微米晶粒、粗晶粒）的簡單混合或復(fù)合，有效避免了結(jié)構(gòu)特征尺寸突變引起的性能突變，可以使具有不同特征尺寸的結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，同時(shí)表現(xiàn)出各特征尺寸所對應(yīng)的多種作用機(jī)制，使材料的整體性能和使役行為得到優(yōu)化和提高。

1 梯度納米結(jié)構(gòu)的概述

1.1 梯度納米結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵

納米結(jié)構(gòu)就是指納米量級的材料能夠通過自身的晶界，在材料中體現(xiàn)出一種與普通的晶界不一樣的效果，能夠增強(qiáng)材料的性能。但是隨著強(qiáng)度和硬度的顯著提高，納米結(jié)構(gòu)材料的塑性和韌性顯著降低、加工硬化能力消失、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，這些性能的惡化制約了納米結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。所以，梯度納米結(jié)構(gòu)，應(yīng)運(yùn)而生。

1.2 梯度納米結(jié)構(gòu)的分類

由于在結(jié)構(gòu)中各種晶界的類型不同，在基本結(jié)構(gòu)的兩種以及兩種以上的晶界類型進(jìn)行復(fù)合的時(shí)候，能夠形成晶界復(fù)合結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)的微觀示意圖中，能夠看出，這些復(fù)合的結(jié)構(gòu)，在復(fù)合過程中，既能夠保留原有結(jié)構(gòu)中晶粒大小尺寸，又能夠使自身擁有新的排序方式：孿晶密度成梯度的變化。而通過這樣的方式，使晶界發(fā)生遷移等現(xiàn)象，由于復(fù)合晶界中的這一特殊結(jié)構(gòu)，能夠讓在晶界中出現(xiàn)的滑移與遷移兩種變化形態(tài)至今產(chǎn)生競爭關(guān)系，這樣就能夠使梯度納米結(jié)構(gòu)，在性能上不斷的增強(qiáng)，延展性也較好。因此在化學(xué)成分和相組成相同的條件下，梯度納米結(jié)構(gòu)可以分為四類：（1）梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)單元為六邊形或五邊形等軸狀晶粒。（2）梯度納米孿晶結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)單元為亞結(jié)構(gòu)——孿晶，晶粒尺寸均勻分布。（3）梯度納米層片結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)單元為二維層片狀晶粒。（4）梯度納米柱狀結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)單元為一維柱狀晶粒。上述四種結(jié)構(gòu)無論哪一種結(jié)構(gòu)單元在晶粒尺寸上，都呈現(xiàn)出納米至宏觀的變化，成梯度變化。

2梯度納米結(jié)構(gòu)的制備

梯度納米材料通?？赏ㄟ^梯度塑性變形和梯度物理或化學(xué)沉積方法進(jìn)行制備，本文以梯度塑性變形制備為例進(jìn)行介紹，通常采取的制備方法為壓入法、研磨法、碾壓法三種。

2.1 壓入

主要依托硬質(zhì)的壓頭（球狀）或者通過壓頭對材料便面進(jìn)行充分碾壓，通過這樣方式能夠在材料的表面產(chǎn)生重復(fù)塑性變形，表層能夠根據(jù)應(yīng)對塑性的應(yīng)變量和變速的頻率對梯形的深度、大小進(jìn)行不斷地調(diào)整，并且應(yīng)變量能夠隨著表面壓入的次數(shù)增多而增多。

2.2 碾磨

碾磨方式就是利用壓頭（球狀）在材料上反復(fù)進(jìn)行移動(dòng)，主要是想要利用壓頭與材料之間的摩擦力，讓這個(gè)摩擦力與材料之間發(fā)生反應(yīng)變化，表層能夠根據(jù)應(yīng)對塑性的應(yīng)變量和變速的頻率對梯形的深度、大小進(jìn)行不斷地調(diào)整，并且摩擦力能夠隨著表面壓入的次數(shù)增多而增多。

2.3 碾壓

通過壓頭（球狀）對材料進(jìn)行壓力的釋放，使得壓頭能夠在材料表面上進(jìn)行來回的滾動(dòng)，通過表層對應(yīng)對塑性的應(yīng)變量和變速的頻率對梯形的深度、大小進(jìn)行不斷地調(diào)整，并且碾壓次數(shù)能夠隨著表面壓入的次數(shù)增多而增多。

3 梯度納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

在工業(yè)化生產(chǎn)中，通?？衫锰荻燃{米化處理技術(shù)與其他低成本材料加工技術(shù)結(jié)合，替代高成本加工技術(shù)，達(dá)到降低材料制備成本的目的。例如，通過利用機(jī)械研磨設(shè)備，對材料進(jìn)行表面的納米化處理，這項(xiàng)設(shè)備技術(shù)能夠地材質(zhì)為軸承鋼的材料進(jìn)行表面材質(zhì)的處理，處理后的鋼材具有了梯度納米結(jié)構(gòu)，能夠在性能上有著大幅度的提升。在不改變材質(zhì)的條件下，增強(qiáng)對材料結(jié)構(gòu)的利用程度，讓這類鋼材的耐磨性得到提高，從原有的3天的使用壽命，增加到9天，提升了三倍。不僅能夠減少企業(yè)在生產(chǎn)中資源的消耗，還能夠在一定程度下加強(qiáng)對資源的使用效率，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低成本。

梯度納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能可通過對材料或零部件的局部處理實(shí)現(xiàn)有選擇性性能提高，從而提升整體材料或零部件的性能和壽命。主要是針對零件中某一部分經(jīng)常會在生產(chǎn)運(yùn)行中受到磨損，通過提升這部分的性能，能夠有效的減少零件的報(bào)廢率，增加零件的使用壽命。例如，在進(jìn)行焊接的時(shí)候，焊接接頭經(jīng)常出現(xiàn)磨損的情況，通過對接頭進(jìn)行梯度納米結(jié)構(gòu)處理，能夠有效的增強(qiáng)接頭穩(wěn)定性與強(qiáng)度，使焊接接頭不會發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。在軸類零件中，軸徑的過渡段通常會發(fā)生疲勞斷裂，嚴(yán)重制約著軸類零件的壽命，通過表面梯度納米化處理，可以有效的提升整個(gè)軸類零件的使用壽命。

結(jié)論：發(fā)展梯度納米結(jié)構(gòu)的制備加工技術(shù)，以滿足更廣范圍和更深層次的工業(yè)應(yīng)用，還需進(jìn)一步解決擴(kuò)大納米結(jié)構(gòu)梯度變化范圍，實(shí)現(xiàn)梯度納米結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控等問題，從而產(chǎn)生高效、便捷、低成本的制備加工技術(shù)。

（作者單位：陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）