金属材料中梯度结构的研究范文

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摘要：

对近年来金属材料梯度结构的研究进展作了简要综述，介绍了梯度结构的制备工艺，以及梯度结构对金属材料性能的影响。探讨了梯度结构在基础科学中存在的问题，并对其在工业中的应用做了展望。

关键词：

金属材料；梯度结构；制备工艺；性能

近年来，超细晶、纳米晶金属材料的研究已较为成熟，由于其大量界面(如孪晶界、晶界)的存在，表现出与金属粗晶材料截然不同的物理化学性能[1]。在不改变材料化学成分的情况下，通过细化晶粒获得超细晶、纳米晶能使金属材料的硬度及强度显著提高，是制备高强度金属材料的有效途径。然而，在晶粒细化过程中大量缺陷的产生是不可避免的，这导致超细晶、纳米晶金属材料在拥有高强度的同时塑性、韧性降低。这些性能缺陷制约了超细晶、纳米晶金属材料的应用和发展[2]。最新研究指出，对金属材料的结构单元(如片层厚度、晶粒尺寸等)进行多层构筑，可使金属材料表现出超细晶、纳米晶结构高强度和高硬度性能的同时保留粗晶结构的塑性与韧性。梯度结构是多层构筑重要的类型之一，梯度结构是指材料中结构单元的尺寸在空间上呈梯度变化的结构[3]。当金属材料结构尺寸降低到一定程度时，会产生例如磁性转变为非磁性、导体转变为非导体等性能上的突变。通过在金属材料中制备梯度结构，能使不同尺寸的结构单元之间相互作用、相互协调，从而避免这种性能突变的产生。

1梯度结构的制备工艺

1.1梯度的物理或化学沉积常用的物理沉积方法有溅射沉积、激光沉积等。在这些方法中，使用不同的实验参数会导致金属材料组织与结构有显著区别，因此可通过对实验参数的控制达到化学成分或微观组织梯度分布的效果。将TiC相通过激光沉积的方法梯度分布在基体中，形成TiC成分梯度结构。这种结构使材料表面硬度提升了1.5倍，同时高温耐磨性也显著提高[4]。常用的化学沉积方法有化学气相沉积(CVD)、电化学沉积等。动力学是影响化学沉积材料中组织与结构的主要因素，因此可通过对动力学的控制达到化学成分或微观组织梯度分布的效果。通过电化学沉积的方法在灰铸铁表面制备出了纳米Al2O3/Ni+Co梯度复合涂层，在10、30、50N三个载荷下，梯度复合图层的耐磨性均优于纯镍钴涂层[5]。Al2O3在基体中的梯度分布使材料的显微硬度及耐磨性显著提高。

1.2梯度的塑性变形塑性变形能使材料中的位错大量增殖，变形过程中位错之间的交互作用使材料产生大量晶界及亚晶界，从而将原始粗晶组织逐步分割成细晶组织，达到晶粒细化的效果[6-7]。塑性变形过程中通过降低变形温度，增加变形量，提高变形速率，均可使金属材料的组织细化更充分。因此，控制塑性变形过程中的上述参数便能实现材料结构单元的梯度分布。由于塑性变形过程中一般不存在化学成分的变化，所以梯度塑性变形主要通过在金属材料中形成晶粒梯度、孪晶梯度、片层梯度来强化材料整体性能。Wu等[9]通过表面机械研磨方式对无间隙原子钢进行处理，形成了120μm厚的梯度晶粒结构层，使材料的屈服强度提高2.6倍。

2梯度结构对材料性能的影响

2.1强度及塑性如何获得高强高塑材料已经成为材料科学界一大难题，材料具有较高强度的同时塑性往往很低，反之亦然。梯度结构的出现，为解决这一问题提供了有效途径。研究表明在IF钢[9]及316不锈钢[10]等材料中制备出晶粒尺寸呈梯度分布的结构，能使材料强度提高的同时塑性基本不降低。Wu等[8]研究发现，梯度晶粒结构材料在拉伸过程中出现加工硬化率上升的现象，这种额外的加工硬化在结构均匀的材料中并不存在。研究表明，材料中不同结构单元在拉伸过程中经受的应变状态也不同。由于梯度结构材料存在许多不同的结构单元，形成不同应变状态，从而产生了应变梯度。材料中的应变梯度能促进几何必须位错的堆积，几何必须位错与可动位错之间相互作用使位错储存能力提升，产生了额外的加工硬化。利用表面机械碾磨处理(SMGT)在纯铜粗晶棒材表面制备出厚达750μm的梯度晶粒结构,含有梯度晶粒结构的纯铜样品拉伸屈服强度是粗晶纯铜的1倍[3]，同时塑性与粗晶纯铜样品一致。由强度Hall-Petch关系可知，材料的屈服强度与晶粒尺寸成反比。梯度结构层细小的晶粒使其具有很高屈服强度，从而提高了材料整体的屈服强度。单独的梯度结构层强度高、塑性低，然而具有梯度结构层的纯铜样品整体拉伸塑性十分良好。在样品拉伸过程中，高强度的细晶组织由于其大量的缺陷存在容易形成应变集中。在梯度结构材料中，细晶组织和粗晶组织的相互作用以及应力、应变的二次分布能有效抑制这种应变集中和初期的颈缩，使裂纹萌生时间延后，从而使材料整体表现出良好的塑性。同时由于粗晶组织在样品中所占比例很高，对材料整体的塑性贡献十分巨大。粗晶组织良好的加工硬化能力、塑性变形能力及承受应变能力也是材料整体塑性表现良好的原因之一。

2.2硬度由经典硬度Hall-Petch关系可知，材料的硬度与晶粒尺寸成反比关系。若金属材料中晶粒尺寸梯度变化时，硬度也随之变化，从而形成硬度梯度。在无间隙原子钢样品120μm的梯度晶粒结构层中，硬度随晶粒尺寸的减小从0.3GPa逐渐增加至2.7GPa[8]。界面强化只是数种强化方式的一种，通过使强化相梯度分布形成的成分梯度结构也存在硬度梯度。例如在纯Ni梯度片层结构样品中[11]，硬度由粗晶片层的1.5GPa梯度增加至6.4GPa。由经典Archard磨损定律可知，材料磨损面的硬度与耐磨性成正比。在材料表层制备出梯度结构层的铝合金[12]及纯铜[13]样品都表现出了优越的耐磨性。在较低载荷下耐磨性提高3～4倍，当载荷较高时，受梯度结构层厚度的限制耐磨性提高不明显。梯度结构中存在比粗晶结构更多的晶界，在合金化过程中晶界能为化学反应提供形核位置，同时由于其更高的界面过剩能为组织内化学反应提供了额外驱动力，降低了合金化温度。同时梯度结构总存在比粗晶结构更多的缺陷，在合金化过程中的缺陷能为原子扩散提供更多的通道，缩短了合金化所需的处理时间。梯度结构这些特性能使合金化更简单、有效的应用与金属材料中，拓展了合金化的应用范围。从文献[14]中两种纯铁样品在300℃下经9h气体渗氮后的横截面照片可明显看出，粗晶纯铁样品（表面并没有氮化物形成。具有梯度结构的纯铁样品表面形成了约10μm厚的氮化物层。Tong[13]等研究了Fe和38CrMoAl经SMAT表面自身纳米化处理后的离子氮化的过程。实验结果表明Fe和38CrMoAl的离子氮化温度被分别降至300、400℃。表明梯度结构层显著降低了合金化处理温度。在280～340℃内测试Zn在纯铁梯米结构层中的扩散行为[16]。结果表明，梯度结构层中Fe-Zn化合物层生长激活能为108.0kJ/mol，粗晶纯铁中Fe-Zn化合物层的生长激活能为167.1kJ/mol，梯度结构层反应所需的激活能及起始温度均比粗晶纯铁低，且梯度纳米结构中Fe-Zn化合物的生长速度显著高于粗晶纯铁基体中的生长速度。

3应用与展望

梯度结构金属材料表现出许多优异的性能，如强度、塑性、硬度、磨损性和合金化等。为新加工工艺的研发及新材料的制备提供了一条崭新的途径。目前，梯度结构的高疲劳性能和耐磨性能已经初步应用与工业生产中。部分工厂在轴承轴径处制备出梯度结构层，提高轴承过渡段的抗疲劳强度，使工件整体使用寿命提高。目前，关于梯度结构的研究仍然存在许多基础科学及工业应用问题。由于梯度结构中结构单元不断变化，许多应用于均质结构材料的理论、机制不再适用，关于梯度结构物理、化学及力学等方面的理论仍不成熟，有待研究者进一步研究。制备梯度结构的工艺仍存在许多不完善之处，如何通过对制备梯度结构工艺参数的控制，获得最优异性能的材料成为这项研究的重要问题。同时，如何简单、高效率、低成本的制备梯度结构也是关乎其发展的重要因素。

作者：张淇萱  杨新诚 李才巨 单位：昆明理工大学 材料科学与工程学院