Page 64 - 《摩擦学学报》2020年第6期
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第 6 期       沈明学, 等: 表面机械滚压处理(SMRT)316L不锈钢梯度纳米层在腐蚀介质下的摩擦学行为研究                                 747

                 Key words: surface mechanical rolling treatment (SMRT); corrosion wear; tribological behaviors; gradient
                 nanostructure; 316L austenitic stainless steel


                316L奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性、化学稳                        国内外学者基于各类摩擦工况(滑动/微动、干态/润滑/
            定性和良好的机械加工性能，被广泛应用于核能装                             真空等)试验结果普遍认同表面纳米化能有效提高材
                                                 [1]
            备、海洋工程、生物医药和石油化工等领域 . 通常，机                         料表面耐磨性，降低表面摩擦系数               [13-16] . 例如，杨诗婷
            械零件的失效(如疲劳断裂、磨损与腐蚀)大多始于其                           等 通过喷丸处理316L不锈钢获得表面纳米层，通过
                                                                 [17]
            表层. 316L不锈钢硬度、强度较低，导致其耐磨性不                         室温下的干摩擦试验发现表面纳米化处理表面形成
            佳. 然而，奥氏体不锈钢加热时无相变，常规热处理方                          高残余压应力、高强度和高硬度的细晶层，从而降低
                                                                                           [13]
            式难以提高材料硬度和耐磨性，因此耐磨与耐腐性能                            了摩擦系数和磨损程度. Sun等 采用SMAT技术在
            很难兼顾，这大大限制了它在工程中的进一步应用.                            304不锈钢表面制备出纳米结构层，通过油和干态下
                表 面 机 械 滚 压 处 理 (surface  mechanical  rolling  的摩擦学对比试验，发现油润滑下纳米层的耐磨性能
                                                                                                    [18]
            treatment，SMRT)制备梯度纳米化层是近年来新发展                     更为优异，甚至是粗晶基体的3倍以上. Fu等 和Wang
                       [2]
            的加工技术 ，它在形成机理上与其他加工方法如喷                            等 指出细晶强化引起的硬度增加是纳米晶试样在
                                                                 [19]
                      [4]
               [3]
            砂 或喷丸 、表面机械研磨(SMAT)             [5-6] 、激光冲击加       各类工况下耐磨性能优于原始粗晶试样的关键因素.
                   [7]
            工(LSP) 等相似，都是通过表面剧烈塑性变形诱导表                         另一方面，腐蚀磨损失效受机械磨损和化学腐蚀双
                                 [2]
                                                                                                  [15]
            层材料形成纳米化结构 . 但SMRT过程中加工路径                          重因素的耦合作用，并非两者的简单叠加 . Huttunen-
                                                                         [20]
            的可控、滚动体的旋转及其压入深度或载荷的逐步递                            Saarivirta等 探讨了奥氏体和马氏体两类不锈钢在
            增等工艺优化可获得常规加工方法难以企及的影响                             NaCl溶液中的腐蚀行为，指出表面钝化能力对摩擦腐
            层厚度、致密度、表面光洁度和热稳定性                 [8-9] . 该技术由    蚀行为的影响比硬度更为重要. 先前的研究已证实奥
                               [2]
            卢柯课题组率先提出 ，他们在316L不锈钢表面制备                          氏体不锈钢在NaCl溶液中的摩擦腐蚀行为受到摩擦
            了梯度纳米结构层，结果表明结构层随着深度的增加                            副摩擦方式和材料属性的影响较明显                [3, 12] . 然而，至今
            依次形成了马氏体晶粒、纳米孪晶和位错缠结等特征.                           利用SMRT技术加工316L不锈钢纳米化层在腐蚀环境
            他们通过拉压疲劳测试发现梯度纳米化层能有效抑                             下磨损行为仍未见报道.
            制疲劳裂纹的萌生，疲劳极限由粗晶基体的180 MPa                             本文作者采用SMRT技术在316L不锈钢表面构筑
                                                   [9]
            提升至SMRT后的420 MPa. 我们最近的研究 也证实                      了梯度纳米结构，在研究纳米层微观组织和力学性能
            了相似结论并发现SMRT试样单向拉伸时拉伸强度可                           的基础上，重点探讨了机械滚压诱导316L不锈钢表面
            提高约13%(相比粗晶试样)，应变控制疲劳试验进一                          梯度纳米层在腐蚀介质环境下的摩擦学行为，阐述了
            步证明了利用该技术制备的梯度纳米化层使裂纹萌                             相关损伤机制，同时也澄清了SMRT技术制备梯度纳

            生位置内迁、疲劳韧性明显高于粗晶基体.                                米结构在抗腐蚀磨损方面的积极影响. 以期为拓宽
                然而，由于各种表面纳米化技术的加工路径等不                          SMRT的工程应用及316L不锈钢减摩抗磨提供理论
            同，表面纳米晶结构、残余应力分布和微观缺陷也存                            指导.
                                                        [10]
            在较大差异，导致其耐腐蚀性能仍存在许多争议 .
                                                               1    试验材料及方法
            Cui等  [11] 和Wang等  [12] 分别研究了两种纳米层在3.5%
            NaCl溶 液 中 的 腐 蚀 行 为 ， 前 者 采 用 SMRT技 术 在            1.1    试验材料
            FeCoNiCrMn高熵合金，后者采用硼砂处理304不锈钢                          试验所用316L不锈钢的化学成分(质量分数，
            表面，研究结果均表明纳米层结构具有较好的耐腐蚀                            %)为C 0.017；Mn 1.47；Si 0.52；Cr 16.60；Ni 10.18；Mo
            性能. 然而，采用SMAT技术制备的不锈钢表面纳米晶                         2.05； P  0.026； S  0.024； bal.  Fe.  SMRT加 工 前 ， 先 将
            层由于加工过程中产生的缺陷或表面层污染等原因                             316L不锈钢块加热至1 050~1 100 ℃，保温1 h完成固
            往往导致纳米晶层相比原始粗晶基体的腐蚀性能降                             溶处理，使碳化物充分溶解并固溶于奥氏体中，然后
                       [6]
               [10]
            低 . Wen等 研究证实纳米化加工过程中表面Fe等                         迅速冷却至350 ℃以下. 随后机加工得到316L棒材，
            元 素 的 入 侵 会 引 发 贾 凡 尼 效 应 (galvanic  corrosion     精车至表面粗糙度R 3.2、直径            ϕ11±0.02 mm、长度
                                                                                  a
            cells)，从而降低纳米层耐腐蚀性能. 不同于腐蚀性能，                      200 mm. 图1所示为热处理后316L不锈钢基材退火后
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