純銅表面納米化及其擴散性能研究.pdf

1、納米材料由于具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。近年來表面機械研磨處理(SMAT)方法作為制備納米晶塊體材料的一種方式受到了廣泛重視，這是因為由SMAT制備出的納米結(jié)構(gòu)表層無污染、無孔隙，避免了納米層與基體的結(jié)合界面。材料的納米化過程是在高的應(yīng)變速率下通過強烈塑性變形來實現(xiàn)的。 本文利用SMAT方法在純銅表面獲得了一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，采用金相顯微鏡(OM)、X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、和顯微硬度測

2、試儀對SMAT后樣品的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能進行了表征；采用電鍍技術(shù)對純銅樣品表面進行了電鍍鎳處理，采用掃描電子顯微鏡(SEM)分析了鎳原子在納米晶銅中的擴散行為；并運用離子注入技術(shù)對SMAT前后的純銅分別進行了鈦離子的注入，利用俄歇電子能譜儀(AES)分析了離子注入后鈦的濃度隨深度的變化情況。 主要研究結(jié)果如下: 1.純銅經(jīng)過表面機械研磨處理后表層形成了等軸、隨機取向的納米晶粒平均晶粒尺寸約為10nm。SMAT純銅的處理時

3、間以30min為佳。SMAT樣品表面組織不會隨著處理時間的延長而持續(xù)細化。 2.SMAT引起的強烈塑性變形在樣品表面隨機發(fā)生，并且隨著深度的增加強烈塑性變形量逐漸地減小，從而使得樣品的晶粒尺寸也呈現(xiàn)隨距離樣品表面深度的增大而逐漸減小的梯度變化趨勢。 3.SMAT后樣品表面層的顯微硬度明顯增大，表面納米層的顯微硬度約為心部基體硬度的兩倍，并且隨著深度的增大顯微硬度值逐漸減小，其表面硬度的增大可歸因于晶粒細化效應(yīng)和加工硬化效

4、應(yīng)共同作用的結(jié)果。但是極化腐蝕實驗結(jié)果表明，SMAT方法所獲得的表層納米結(jié)構(gòu)組織卻降低了材料的耐腐蝕性能。主要是因為SMAT后樣品表層的晶界增多，晶界能增大，增強了反應(yīng)活性；SMAT后樣品表層由于嚴重塑性變形而儲存了大量的應(yīng)力，也增強了應(yīng)力腐蝕的趨勢，另外，SMAT處理后表面粗糙度增大也是導致耐腐蝕性能下降的原因。 4.純銅表面納米化后其晶粒穩(wěn)定性可以保持到300℃，晶粒長大趨勢不很明顯。SMAT樣品與粗晶樣品分別經(jīng)電鍍鎳并在一

5、定溫度下熱處理后，在納米晶試樣中，鎳原子在100℃下就有明顯的擴散現(xiàn)象產(chǎn)生，而在粗晶樣品中100℃下短時間退火后擴散并不明顯。這是因為樣品表面納米晶層內(nèi)存在有大量的非平衡態(tài)缺陷(如高密度位錯和位錯胞)，尤其是晶界數(shù)量增加，降低了鎳原子擴散的激活能，提高了其擴散系數(shù)，從而加快了鎳原子的擴散。 5.SMAT前后的純銅樣品分別經(jīng)離子注入鈦后，鈦的濃度分布均呈Gauss分布，兩種樣品的離子注入深度基本相同。但是SMAI樣品內(nèi)部鈦原子的濃