納米晶金屬材料微結構參數、熱穩(wěn)定性和馬氏體逆相變的研究.pdf

1、表面機械研磨處理(SMAT)，作為一種利用劇烈塑性變形制備納米材料的新技術，被廣泛用于制備各種納米晶金屬材料，以期獲得與傳統(tǒng)粗晶材料不同的性能和行為。本文利用SMAT制備出Fe-30wt％Ni合金(fcc)、純Fe(bcc)、純Ni(fcc)和純Co(hcp)不同晶體結構的納米晶金屬材料，通過光學金相(OM)、X射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和差示掃描量熱法(DSC)等多種表征方法，研究它們

2、的微結構參數、熱穩(wěn)定性以及馬氏體逆相變行為，為SMAT制備的納米金屬材料的實際應用提供理論指導，而且豐富了納米材料中馬氏體相變的研究內容。 Fe-30wt％Ni合金、純Ni、純Fe和純Co經過表面機械研磨處理后，表面均發(fā)生劇烈塑性變形，隨著深度的增加，晶粒尺寸和微觀應變隨深度呈梯度變化，并可獲得10～20μm的納米晶表層，根據TEM觀測，最表層的晶粒尺寸小于10nm。用X射線單峰傅氏分析法對表面機械研磨處理后Fe-30wt.％N

3、i合金、純Ni和純Fe的微結構參數進行定量測定，結果表明材料在表面機械研磨處理后，晶粒尺寸迅速減小到納米級，并可得到高的微觀應變、位錯密度和形變儲存能，其中位錯密度和形變儲存能的數量級為1015-1016m-2和106-107Jm-3，均比拉伸變形樣品的位錯密度和儲存能高一個數量級。通過對表面機械研磨處理后納米晶Fe-30wt.％Ni合金的HRTEM觀察表明，某些納米晶粒內部包含一些由小角晶界分隔的亞晶粒，通過對HRTEM照片的一維傅氏

4、變換可知納米晶界和亞晶界上分布有高密度的位錯，而亞晶粒內部位錯密度較低。 對納米晶Fe-30wt.％Ni合金和純Ni的熱穩(wěn)定進行了研究，兩種材料在不同的退火溫度下進行等溫退火處理，用X射線衍射單峰近似函數計算了不同退火溫度和時間下的納米晶粒尺寸和微觀應變，兩種材料具有共同的晶粒生長特征。晶粒尺寸均在退火初期(前15min)生長速率較快，退火溫度越高，退火初期的生長速率越快，退火后期(15min～120min)晶粒生長的速率變慢。

5、微觀應變均在退火的前15min左右下降較快，隨后基本到達一個極限值，退火溫度越高，到達的極限值越低。通過對納米晶Fe-30wt.％Ni合金馬氏體的原位加熱TEM觀察顯示，亞晶粒的合并是退火初期晶粒尺寸快速增加的原因。對納米晶Fe-30wt.％Ni合金和純Ni晶粒生長動力學參數進行了計算，結果表明納米晶Fe-30wt.％Ni合金和純Ni的晶粒生長時間指數n分別約為0.1和0.14，說明納米晶Fe-30wt.％Ni合金具有比純Ni更慢的晶粒

6、生長速率。在較低的溫度下退火時(純Ni低于250℃，Fe-30wt.％Ni合金低于350℃)，兩者的晶粒生長激活能均在30～40kJ/mol，說明晶粒生長均受晶界的重排導致的晶粒合并所控制。在較高的溫度下退火時(純Ni為250℃～450℃，Fe-30wt.％Ni合會為350℃～550℃)，Fe-30wt.％Ni合金和純Ni的晶粒生長激活能分別為176.8kJ/mol和121.3kJ/mol，分別對應于兩種材料的晶界擴散激活能，這說明晶粒

7、生長主要由晶界擴散所控制。兩種材料在較高溫度下退火均會出現某些晶粒的異常生長，這種現象是由晶粒尺寸分布的不均勻造成的。 通過對文獻中納米材料逆相變試驗和理論的分析，對課題組前期工作提出的納米晶Fe-30wt.％Ni合金和Co金屬馬氏體逆相變行為基于晶粒尺寸效應的解釋提出置疑。本文考慮了馬氏體和奧氏體兩相表面能的差異，建立了納米晶馬氏體逆相變的熱力學表達式，通過在熱力學表達式中加入形變儲存能的影響，計算和分析了表面機械研磨處理制備

8、的納米晶Fe-30wt.％Ni合金和Co金屬的馬氏體逆相變的行為，計算的結果預示出兩種材料的馬氏體逆相變開始溫度(As)應低于或接近對應的傳統(tǒng)粗晶材料。DSC實驗結果顯示，表面機械研磨處理制備的納米晶Fe-30wt.％Ni合金的As溫度高于對應的粗晶樣品，而納米晶Co的As溫度低于對應的粗晶樣品。該實驗結果與課題組前期實驗工作一致，但Fe-30wt.％Ni合金的實驗結果與理論預測相反，理論分析發(fā)現可能在SMAT處理中引起成分的變化而導致

9、化學自由能的變化，實驗進一步證明了在機械研磨過程中鋼球中合金元素確實擴散入Fe-30wt.％Ni合金和Co金屬，并導致表層成分的變化，從而使Fe-30wt.％Ni合金和Co金屬的As溫度不同于傳統(tǒng)粗晶樣品。通過磨去表層的合金元素擴散層，獲得不受成分影響的納米晶Fe-30wt.％Ni合金和Co金屬，DSC實驗結果顯示兩種材料的As溫度均與對應粗晶樣品接近，這與熱力學模型的預測結果相符。 在表面機械研磨處理的過程中，合金元素可在鋼球