通用抛丸机喷丸表面纳米化研究

工程上材料的失效大多来自于材料的表面，因此开发新的表面强化技术对提高机械零件的使用寿命具有重要的意义。表面纳米化是近几年提出的新概念，即利用各种物理、化学方法在材料表面制备具有优异性能的纳米层，从而提高表面的机械性能，如疲劳强度、抗腐蚀性及耐磨性等，这种技术在工业上具有非常广泛的应用前景。 本文用改进的常用喷丸设备对低碳钢和工业纯钛进行了表面纳米化的研究。通过X-射线衍射仪(XRD)、光学显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、显微硬度计等对喷丸后样品表面的微观组织、结构和性能进行了研究。 研究结果表明，在工业常用喷丸设备基础上，通过适当改进设备以及工艺参数调整，可以在低碳钢以及工业纯钛表面制备出一定厚度的纳米层，低碳钢表层晶粒可细化至28nm左右；工业纯钛可细化至40nm左右。随着喷丸时间的增加，表面的变形层逐渐增大，变形层沿厚度方向呈梯度分布。低碳钢喷丸240min后层深可达到130μm；工业纯钛喷丸120min层深可达到283μm，晶粒细化明显的剧烈塑性变形层深可达到93μm左右，用透射电镜(TEM)观察此层深，晶粒为40～150nm大小的等轴晶。经纳米化处理后，表面的硬度与心部基体相比明显提高。 对工业纯钛晶粒细化的机理归结如下：变形初期，位错塞积产生应力场，当位错塞积产生的内应力达到了发生机械孪生变形的临界分切应力时，就会产生单系孪晶；单系孪晶逐渐过渡到多系孪晶，多系孪晶相互交割使晶粒尺寸不断减小；随着孪晶系增多以及孪晶重复交割强度加大使晶粒进一步细化：最终在大应变量、高应变速率和多方向载荷的共同作用下，形成了等轴状、取向呈随机分布的纳米晶组织。