程國鋒，鐘蜀暉，黃彥森

（貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

通過對316L不銹鋼高速旋轉(zhuǎn)絲表面納米化處理，使其表層晶粒達(dá)到納米量級，晶粒重新排列，間隔距離縮小，相互作用力增強(qiáng)，從而使得材料整體的力學(xué)性能有所提高。同時在對材料表面納米化處理后，必將引起內(nèi)部殘余應(yīng)力的改變，然而殘余應(yīng)力是影響材料性能的一個重要因素。本文針對316L不銹鋼表面納米化處理和表面未納米化處理兩種狀態(tài)，測試其殘余應(yīng)力的分布，通過分析、對比說明表面納米化后殘余應(yīng)力分布對材料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料

目前材料表面納米化處理的方法有3種，分別為表面涂覆或沉積方法、表面自身納米化方法和混合納米化方法，在這3種納米化處理方法中，只有表面自身納米化處理方法既可解決納米晶體層與基體之間結(jié)合的問題，又可利用傳統(tǒng)的表面加工技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)這種表面納米化方法的優(yōu)越性，利用高速旋轉(zhuǎn)絲表面納米化方法，在316L不銹鋼表面獲得納米層。

2 殘余應(yīng)力的測定

2.1 測試方法的確定

本實(shí)驗(yàn)利用X－350 X射線衍射儀測定殘余應(yīng)力，其測量方法理論成熟、測量精度高，測量結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，被廣泛的運(yùn)用于機(jī)械工程和材料科學(xué)。但X射線的穿透能力僅為10 um左右，所測得的只是工件表層的應(yīng)力。本實(shí)驗(yàn)研究殘余應(yīng)力在體內(nèi)的分布，即需要測定殘余應(yīng)力沿材料厚度方向上的分布，這就需要將待測面剝露至自由表面。故采用逐層剝離法，將待測面剝離至自由面，逐層測定各層面上的殘余應(yīng)力。

2.2 X－350 X射線衍射儀測試參數(shù)的確定

對316L不銹鋼板進(jìn)行殘余奧氏體測定，結(jié)果Aγ= 92.3%，可根據(jù)奧氏體的材料性質(zhì)選定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，其數(shù)據(jù)選擇見表1。

表1 X－350 X射線衍射儀參數(shù)表

2.3 殘余應(yīng)力的測定

本實(shí)驗(yàn)采用表面納米化處理和表面未納米化處理的 316L不銹鋼，其厚度均為5 mm。在測驗(yàn)前需對所測的點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，保證所測數(shù)據(jù)是同一點(diǎn)在不同深度的分布，同時可以用算術(shù)平均值來估算所測層面的平均殘余應(yīng)力。每層表面確定5個點(diǎn)進(jìn)行測量，測點(diǎn)分布見圖1。

圖1 殘余應(yīng)力測點(diǎn)分布圖

表2 表面納米化試件殘余應(yīng)力測定結(jié)果表

表3 表面未納米化試件殘余應(yīng)力測定結(jié)果表

3 殘余應(yīng)力的修正

X射線衍射法只能測定材料表面的殘余應(yīng)力分布，而殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布情況，只能逐層剝離表層材料，將被測的點(diǎn)外露到自由面進(jìn)行測量。然而，由于被測點(diǎn)外部的材料被剝除，引起應(yīng)力釋放，發(fā)生殘余應(yīng)力重新分布，所以在暴露出來的點(diǎn)上測定的應(yīng)力值并非剝除時該點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力值。當(dāng)我們從最表面逐層剝除時，最表面的初始?xì)堄鄳?yīng)力值是可以測定的，然后逐層剝除，逐層用彈性力學(xué)方法來計算剝除后測得的應(yīng)力值的校正量。

3.1 殘余應(yīng)力測定值的修正及應(yīng)力分析

表4 表面納米化處理未疲勞試件殘余應(yīng)力修正結(jié)果

表5 表面未納米化處理殘余應(yīng)力修正結(jié)果

圖2 表面納米化處理殘余應(yīng)力沿試件深度方向分布圖

3.2 殘余應(yīng)力的分布

表面納米化處理的試件與表面未納米化處理試件應(yīng)力分布圖相比，殘余應(yīng)力的分布總結(jié)如下：

（1）表面納米化處理后在材料表面引入了對材料性能有益的殘余壓應(yīng)力，其值為表面未納米化處理的15倍。

（2）表面納米化處理后材料內(nèi)部的殘余壓應(yīng)力最大值明顯高于表面未納米化處理的最大值。

（3）表面納米化處理后殘余壓應(yīng)力的范圍比表面未納米化的層面要深。

（4）表面納米化處理后零應(yīng)力層面要比表面未納米化的層面深。

（5）表面納米化處理與未處理相比，接近中性層面殘余拉應(yīng)力要大。

圖3 表面未納米化處理殘余應(yīng)力沿試件深度方向分布圖

圖4 兩種表面處理方式殘余應(yīng)力沿試件深度分布圖

4 對殘余應(yīng)力測試結(jié)果的分析

316L不銹鋼在表面納米化處理后，晶粒組織發(fā)生了塑性變形，導(dǎo)致表面層晶粒位錯密度增高，繼而產(chǎn)生位錯運(yùn)動、湮滅、重排形成小角度晶界，從而使表層晶粒細(xì)化，直至晶粒細(xì)化至納米量級。這樣的處理使表層晶粒間距減小，晶粒間的結(jié)合力增強(qiáng)，強(qiáng)化了材料表層的性能。通過大量研究和實(shí)驗(yàn)，普遍認(rèn)為，殘余壓應(yīng)力在材料內(nèi)部的分布，可提高材料的應(yīng)力強(qiáng)度、疲勞極限等，能夠提升材料的力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)測定表面，316L不銹鋼經(jīng)表面納米化處理以后，在材料中引入了大量的殘余壓應(yīng)力，并且壓應(yīng)力極值和分布范圍，都遠(yuǎn)大于表面未納米化處理試件，說明高速旋轉(zhuǎn)絲表面納米化處理方法是一種有效、可行的提高材料性能的措施。

5 結(jié)束語

高速旋轉(zhuǎn)絲表面納米化處理方法是一種提升材料力學(xué)性能的有效措施，其方法細(xì)化了材料表面層的晶粒，改變了晶粒的組織結(jié)構(gòu)，引入對材料性能有益的殘余壓應(yīng)力，提高了材料的力學(xué)性能。

1 盧柯、盧磊.金屬納米材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展［J］.金屬學(xué)報，2000（8）：785

2 袁發(fā)榮、伍尚禮.殘余應(yīng)力測試與計算［M］.長沙：湖南大學(xué)出版社，1987

3 徐尚龍等.構(gòu)件疲勞破壞的數(shù)值模擬分析［J］.煤礦機(jī)械，2003（5）

4 鞏雄、張桂蘭等.納米晶體材料研究進(jìn)展［J］.化學(xué)進(jìn)展，1997（4）

5 周上祺.X射線衍射分析原理方法應(yīng)用［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1992