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摘要：

對近年來金屬材料梯度結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展作了簡要綜述，介紹了梯度結(jié)構(gòu)的制備工藝，以及梯度結(jié)構(gòu)對金屬材料性能的影響。探討了梯度結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)科學(xué)中存在的問題，并對其在工業(yè)中的應(yīng)用做了展望。

關(guān)鍵詞：

金屬材料；梯度結(jié)構(gòu)；制備工藝；性能

近年來，超細(xì)晶、納米晶金屬材料的研究已較為成熟，由于其大量界面(如孿晶界、晶界)的存在，表現(xiàn)出與金屬粗晶材料截然不同的物理化學(xué)性能[1]。在不改變材料化學(xué)成分的情況下，通過細(xì)化晶粒獲得超細(xì)晶、納米晶能使金屬材料的硬度及強(qiáng)度顯著提高，是制備高強(qiáng)度金屬材料的有效途徑。然而，在晶粒細(xì)化過程中大量缺陷的產(chǎn)生是不可避免的，這導(dǎo)致超細(xì)晶、納米晶金屬材料在擁有高強(qiáng)度的同時(shí)塑性、韌性降低。這些性能缺陷制約了超細(xì)晶、納米晶金屬材料的應(yīng)用和發(fā)展[2]。最新研究指出，對金屬材料的結(jié)構(gòu)單元(如片層厚度、晶粒尺寸等)進(jìn)行多層構(gòu)筑，可使金屬材料表現(xiàn)出超細(xì)晶、納米晶結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度和高硬度性能的同時(shí)保留粗晶結(jié)構(gòu)的塑性與韌性。梯度結(jié)構(gòu)是多層構(gòu)筑重要的類型之一，梯度結(jié)構(gòu)是指材料中結(jié)構(gòu)單元的尺寸在空間上呈梯度變化的結(jié)構(gòu)[3]。當(dāng)金屬材料結(jié)構(gòu)尺寸降低到一定程度時(shí)，會產(chǎn)生例如磁性轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判浴?dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?dǎo)體等性能上的突變。通過在金屬材料中制備梯度結(jié)構(gòu)，能使不同尺寸的結(jié)構(gòu)單元之間相互作用、相互協(xié)調(diào)，從而避免這種性能突變的產(chǎn)生。

1梯度結(jié)構(gòu)的制備工藝

1.1梯度的物理或化學(xué)沉積常用的物理沉積方法有濺射沉積、激光沉積等。在這些方法中，使用不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)會導(dǎo)致金屬材料組織與結(jié)構(gòu)有顯著區(qū)別，因此可通過對實(shí)驗(yàn)參數(shù)的控制達(dá)到化學(xué)成分或微觀組織梯度分布的效果。將TiC相通過激光沉積的方法梯度分布在基體中，形成TiC成分梯度結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使材料表面硬度提升了1.5倍，同時(shí)高溫耐磨性也顯著提高[4]。常用的化學(xué)沉積方法有化學(xué)氣相沉積(CVD)、電化學(xué)沉積等。動力學(xué)是影響化學(xué)沉積材料中組織與結(jié)構(gòu)的主要因素，因此可通過對動力學(xué)的控制達(dá)到化學(xué)成分或微觀組織梯度分布的效果。通過電化學(xué)沉積的方法在灰鑄鐵表面制備出了納米Al2O3/Ni+Co梯度復(fù)合涂層，在10、30、50N三個(gè)載荷下，梯度復(fù)合圖層的耐磨性均優(yōu)于純鎳鈷涂層[5]。Al2O3在基體中的梯度分布使材料的顯微硬度及耐磨性顯著提高。

1.2梯度的塑性變形塑性變形能使材料中的位錯(cuò)大量增殖，變形過程中位錯(cuò)之間的交互作用使材料產(chǎn)生大量晶界及亞晶界，從而將原始粗晶組織逐步分割成細(xì)晶組織，達(dá)到晶粒細(xì)化的效果[6-7]。塑性變形過程中通過降低變形溫度，增加變形量，提高變形速率，均可使金屬材料的組織細(xì)化更充分。因此，控制塑性變形過程中的上述參數(shù)便能實(shí)現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)單元的梯度分布。由于塑性變形過程中一般不存在化學(xué)成分的變化，所以梯度塑性變形主要通過在金屬材料中形成晶粒梯度、孿晶梯度、片層梯度來強(qiáng)化材料整體性能。Wu等[9]通過表面機(jī)械研磨方式對無間隙原子鋼進(jìn)行處理，形成了120μm厚的梯度晶粒結(jié)構(gòu)層，使材料的屈服強(qiáng)度提高2.6倍。

2梯度結(jié)構(gòu)對材料性能的影響

2.1強(qiáng)度及塑性如何獲得高強(qiáng)高塑材料已經(jīng)成為材料科學(xué)界一大難題，材料具有較高強(qiáng)度的同時(shí)塑性往往很低，反之亦然。梯度結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了有效途徑。研究表明在IF鋼[9]及316不銹鋼[10]等材料中制備出晶粒尺寸呈梯度分布的結(jié)構(gòu)，能使材料強(qiáng)度提高的同時(shí)塑性基本不降低。Wu等[8]研究發(fā)現(xiàn)，梯度晶粒結(jié)構(gòu)材料在拉伸過程中出現(xiàn)加工硬化率上升的現(xiàn)象，這種額外的加工硬化在結(jié)構(gòu)均勻的材料中并不存在。研究表明，材料中不同結(jié)構(gòu)單元在拉伸過程中經(jīng)受的應(yīng)變狀態(tài)也不同。由于梯度結(jié)構(gòu)材料存在許多不同的結(jié)構(gòu)單元，形成不同應(yīng)變狀態(tài)，從而產(chǎn)生了應(yīng)變梯度。材料中的應(yīng)變梯度能促進(jìn)幾何必須位錯(cuò)的堆積，幾何必須位錯(cuò)與可動位錯(cuò)之間相互作用使位錯(cuò)儲存能力提升，產(chǎn)生了額外的加工硬化。利用表面機(jī)械碾磨處理(SMGT)在純銅粗晶棒材表面制備出厚達(dá)750μm的梯度晶粒結(jié)構(gòu),含有梯度晶粒結(jié)構(gòu)的純銅樣品拉伸屈服強(qiáng)度是粗晶純銅的1倍[3]，同時(shí)塑性與粗晶純銅樣品一致。由強(qiáng)度Hall-Petch關(guān)系可知，材料的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸成反比。梯度結(jié)構(gòu)層細(xì)小的晶粒使其具有很高屈服強(qiáng)度，從而提高了材料整體的屈服強(qiáng)度。單獨(dú)的梯度結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度高、塑性低，然而具有梯度結(jié)構(gòu)層的純銅樣品整體拉伸塑性十分良好。在樣品拉伸過程中，高強(qiáng)度的細(xì)晶組織由于其大量的缺陷存在容易形成應(yīng)變集中。在梯度結(jié)構(gòu)材料中，細(xì)晶組織和粗晶組織的相互作用以及應(yīng)力、應(yīng)變的二次分布能有效抑制這種應(yīng)變集中和初期的頸縮，使裂紋萌生時(shí)間延后，從而使材料整體表現(xiàn)出良好的塑性。同時(shí)由于粗晶組織在樣品中所占比例很高，對材料整體的塑性貢獻(xiàn)十分巨大。粗晶組織良好的加工硬化能力、塑性變形能力及承受應(yīng)變能力也是材料整體塑性表現(xiàn)良好的原因之一。

2.2硬度由經(jīng)典硬度Hall-Petch關(guān)系可知，材料的硬度與晶粒尺寸成反比關(guān)系。若金屬材料中晶粒尺寸梯度變化時(shí)，硬度也隨之變化，從而形成硬度梯度。在無間隙原子鋼樣品120μm的梯度晶粒結(jié)構(gòu)層中，硬度隨晶粒尺寸的減小從0.3GPa逐漸增加至2.7GPa[8]。界面強(qiáng)化只是數(shù)種強(qiáng)化方式的一種，通過使強(qiáng)化相梯度分布形成的成分梯度結(jié)構(gòu)也存在硬度梯度。例如在純Ni梯度片層結(jié)構(gòu)樣品中[11]，硬度由粗晶片層的1.5GPa梯度增加至6.4GPa。由經(jīng)典Archard磨損定律可知，材料磨損面的硬度與耐磨性成正比。在材料表層制備出梯度結(jié)構(gòu)層的鋁合金[12]及純銅[13]樣品都表現(xiàn)出了優(yōu)越的耐磨性。在較低載荷下耐磨性提高3～4倍，當(dāng)載荷較高時(shí)，受梯度結(jié)構(gòu)層厚度的限制耐磨性提高不明顯。梯度結(jié)構(gòu)中存在比粗晶結(jié)構(gòu)更多的晶界，在合金化過程中晶界能為化學(xué)反應(yīng)提供形核位置，同時(shí)由于其更高的界面過剩能為組織內(nèi)化學(xué)反應(yīng)提供了額外驅(qū)動力，降低了合金化溫度。同時(shí)梯度結(jié)構(gòu)總存在比粗晶結(jié)構(gòu)更多的缺陷，在合金化過程中的缺陷能為原子擴(kuò)散提供更多的通道，縮短了合金化所需的處理時(shí)間。梯度結(jié)構(gòu)這些特性能使合金化更簡單、有效的應(yīng)用與金屬材料中，拓展了合金化的應(yīng)用范圍。從文獻(xiàn)[14]中兩種純鐵樣品在300℃下經(jīng)9h氣體滲氮后的橫截面照片可明顯看出，粗晶純鐵樣品（表面并沒有氮化物形成。具有梯度結(jié)構(gòu)的純鐵樣品表面形成了約10μm厚的氮化物層。Tong[13]等研究了Fe和38CrMoAl經(jīng)SMAT表面自身納米化處理后的離子氮化的過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Fe和38CrMoAl的離子氮化溫度被分別降至300、400℃。表明梯度結(jié)構(gòu)層顯著降低了合金化處理溫度。在280～340℃內(nèi)測試Zn在純鐵梯米結(jié)構(gòu)層中的擴(kuò)散行為[16]。結(jié)果表明，梯度結(jié)構(gòu)層中Fe-Zn化合物層生長激活能為108.0kJ/mol，粗晶純鐵中Fe-Zn化合物層的生長激活能為167.1kJ/mol，梯度結(jié)構(gòu)層反應(yīng)所需的激活能及起始溫度均比粗晶純鐵低，且梯度納米結(jié)構(gòu)中Fe-Zn化合物的生長速度顯著高于粗晶純鐵基體中的生長速度。

3應(yīng)用與展望

梯度結(jié)構(gòu)金屬材料表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能，如強(qiáng)度、塑性、硬度、磨損性和合金化等。為新加工工藝的研發(fā)及新材料的制備提供了一條嶄新的途徑。目前，梯度結(jié)構(gòu)的高疲勞性能和耐磨性能已經(jīng)初步應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)中。部分工廠在軸承軸徑處制備出梯度結(jié)構(gòu)層，提高軸承過渡段的抗疲勞強(qiáng)度，使工件整體使用壽命提高。目前，關(guān)于梯度結(jié)構(gòu)的研究仍然存在許多基礎(chǔ)科學(xué)及工業(yè)應(yīng)用問題。由于梯度結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)單元不斷變化，許多應(yīng)用于均質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的理論、機(jī)制不再適用，關(guān)于梯度結(jié)構(gòu)物理、化學(xué)及力學(xué)等方面的理論仍不成熟，有待研究者進(jìn)一步研究。制備梯度結(jié)構(gòu)的工藝仍存在許多不完善之處，如何通過對制備梯度結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)的控制，獲得最優(yōu)異性能的材料成為這項(xiàng)研究的重要問題。同時(shí)，如何簡單、高效率、低成本的制備梯度結(jié)構(gòu)也是關(guān)乎其發(fā)展的重要因素。

作者：張淇萱  楊新誠 李才巨 單位：昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院