納米晶金屬材料微結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱穩(wěn)定性和馬氏體逆相變的研究.pdf

1、表面機(jī)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(shù)，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(jié)構(gòu)的納米晶金屬材料，通過光學(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)、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(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)，而且豐富了納米材料中馬氏體相變的研究內(nèi)容。 Fe-30wt％Ni合金、純Ni、純Fe和純Co經(jīng)過表面機(jī)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(yīng)變隨深度呈梯度變化，并可獲得10～20μm的納米晶表層，根據(jù)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(jī)械研磨處理后Fe-30wt.％N

3、i合金、純Ni和純Fe的微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行定量測定，結(jié)果表明材料在表面機(jī)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(yīng)變、位錯(cuò)密度和形變儲存能，其中位錯(cuò)密度和形變儲存能的數(shù)量級為1015-1016m-2和106-107Jm-3，均比拉伸變形樣品的位錯(cuò)密度和儲存能高一個(gè)數(shù)量級。通過對表面機(jī)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(nèi)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(cuò)，而亞晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度較低。 對納米晶Fe-30wt.％Ni合金和純Ni的熱穩(wěn)定進(jìn)行了研究，兩種材料在不同的退火溫度下進(jìn)行等溫退火處理，用X射線衍射單峰近似函數(shù)計(jì)算了不同退火溫度和時(shí)間下的納米晶粒尺寸和微觀應(yīng)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(yīng)變均在退火的前15min左右下降較快，隨后基本到達(dá)一個(gè)極限值，退火溫度越高，到達(dá)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(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明納米晶Fe-30wt.％Ni合金和純Ni的晶粒生長時(shí)間指數(shù)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(shí)(純Ni低于250℃，F(xiàn)e-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(dǎo)致的晶粒合并所控制。在較高的溫度下退火時(shí)(純Ni為250℃～450℃，F(xiàn)e-30wt.％Ni合會為350℃～550℃)，F(xiàn)e-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(yīng)于兩種材料的晶界擴(kuò)散激活能，這說明晶粒

7、生長主要由晶界擴(kuò)散所控制。兩種材料在較高溫度下退火均會出現(xiàn)某些晶粒的異常生長，這種現(xiàn)象是由晶粒尺寸分布的不均勻造成的。 通過對文獻(xiàn)中納米材料逆相變試驗(yàn)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(yīng)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(xué)表達(dá)式，通過在熱力學(xué)表達(dá)式中加入形變儲存能的影響，計(jì)算和分析了表面機(jī)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(jì)算的結(jié)果預(yù)示出兩種材料的馬氏體逆相變開始溫度(As)應(yīng)低于或接近對應(yīng)的傳統(tǒng)粗晶材料。DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，表面機(jī)械研磨處理制備的納米晶Fe-30wt.％Ni合金的As溫度高于對應(yīng)的粗晶樣品，而納米晶Co的As溫度低于對應(yīng)的粗晶樣品。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與課題組前期實(shí)驗(yàn)工作一致，但Fe-30wt.％Ni合金的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測相反，理論分析發(fā)現(xiàn)可能在SMAT處理中引起成分的變化而導(dǎo)致

9、化學(xué)自由能的變化，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了在機(jī)械研磨過程中鋼球中合金元素確實(shí)擴(kuò)散入Fe-30wt.％Ni合金和Co金屬，并導(dǎo)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?cái)U(kuò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩種材料的As溫度均與對應(yīng)粗晶樣品接近，這與熱力學(xué)模型的預(yù)測結(jié)果相符。 在表面機(jī)械研磨處理的過程中，合金元素可在鋼球