Page 66 - 《摩擦学学报》2020年第6期

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 749

晶粒变形程度不大. 与图1中未实施SMRT试样组织间 的表面硬度也可达到类似的提升效果，前者表面硬度
的显著差异在于该区域内部分晶粒内部出现了平行 由5 GPa提升至7.2 GPa左右，但影响层厚度不足80 μm，
分布的滑移带，且这些滑移带在不同晶粒间的取向不 而后者表面硬度较基体提高了80%，但影响层厚度仅

同，如图2(a)中黑色箭头所示. 达到200 μm.
TEM分析发现上述C区域内位错密度极高并出现 通过上述对比表明：SMRT加工获得的梯度纳米
条状缠结迹象，见图2(e)；而在A和B区域交界处附近 晶层和影响层厚度远远超过了SMAT、表面喷砂/喷丸
(距表面深度约150 μm)，晶粒呈片层状孪晶特征，片层 等常用加工手段.
间距在30~60 nm范围，见图2(d)；而随着深度的减少， 另一方面，为突显近表层纳米硬度沿深度方向的
[9]
表层材料的受力状态变得更为复杂 ，片层状的孪晶 分布规律，图3横坐标采用对数坐标表示. 分析发现：
会发生相互交割，形成图2(c)中虚线围成的菱形格子 在20至100 μm区间内硬度值分布较为平坦，此后硬度
[21]
(rhombic blocks )，许多学者 [3, 21] 已证实此类多系的孪 值沿深度平滑下降至粗晶基体值，且最高值出现在距
晶交割可以促使细晶奥氏体发生马氏体相变以及表 表层20 μm以内的范围内. 结合图2的相关分析可知：
层纳米晶的形成. 图2(b) 及其右上方插图为表层纳米 硬度值的分布规律与SMRT加工后近表层材料微观组
织结构密切相关. 但作者查阅近年来的相关文献发
结构的TEM 明场像及选区电子衍射(Selected area
electron diffraction，SAED)花样. 放大后的TEM 明场 现：基于机加工法制备的梯度纳米层，学者们普遍认
为近表层硬度沿深度分布呈单调递减规律 [2, 5, 15-16] . 其
像发现此时纳米结构近似等轴晶；此外，不同于图2(d)
中的SAED花样，此时的SAED花样也进一步证实了选 原因主要在于他们大多采用线性坐标法表示、且近表
区内存在着大量纳米晶. 通过TEM结合图像分析软件 层范围内采集数据少，导致分布规律未能真实反映.
2.2 SMRT处理对腐蚀磨损性能的影响
(Nano Measurer)测得表层纳米晶粒尺寸平均值约30 nm.
2.2.1 单一腐蚀作用下的表面形貌
此外，利用EBSD进一步表征了这种梯度纳米层的晶
图4所示为SMRT和unSMRT试样在1 mol/l HCl腐
粒尺寸、形状和取向特性，相关结果我们近期已作
[9] 蚀溶液中浸泡2 h后的表面形貌. 由图4可得：unSMRT
报导 .
试样表面点蚀特征显著、点蚀坑呈多孔海绵状且数目
图3为SMRT试样截面在不同表面深度上的纳米
多、面积大，见图4(a)；而SMRT试样未见严重损伤，表
硬度分布图. 观察到最表层(纳米细晶)处硬度超过
面仍较为光滑，但局部偶有点蚀坑和浅表裂纹出现，
5.5 GPa，而沿深度方向硬度呈递减趋势，在距表面
见图4(b). 对比图4(a)和(b)插图进一步表明：SMRT制
2 mm以上区域硬度趋于试样心部，其值约2.8 MPa，也
备的梯度纳米层能有效抵御HCl腐蚀，显著减缓了腐
就是SMRT获得的细晶纳米层硬度相比初始粗晶基体
蚀损伤.
足足提高了1倍，SMRT硬化影响层厚度超过1 500 μm
2.2.2 摩擦系数时变曲线
[21]
[18]
以上. Fu等 和Roland等 分别采用表面喷砂处理马
图5示出了SMRT和unSMRT两种试样在纯水介
氏体钢和采用SMAT在316L不锈钢表面制备纳米晶
质和HCl溶液腐蚀环境中的摩擦系数时变曲线. 在纯
6 水介质下，两种摩擦副的摩擦系数在整个摩擦周期内
Average
相对稳定；相比unSMRT试样，滚压处理后摩擦系数值
5 略低但下降幅度并不明显，表明滚压处理后表面纳米
Hardness/GPa 4 Nanocrystalline 化层对摩擦系数的影响较小，如图5(a)所示. 这与文献

[13]
[3]
中借助SMAT 和表面喷砂 等手段报道的摩擦学行
3 Coarse grain 为相似，其主要原因在于往复摩擦足以致使不锈钢基
体表面产生强烈塑变，摩擦本身也会诱导亚表层金属
2 产生加工硬化和晶粒细化现象 [19, 22] .
10 40 100 400 1 000 4 000
Depth/μm 在腐蚀介质中，SMRT处理前后摩擦系数的降幅
相比纯水介质环境下更为明显，如图5(b)所示. 值得注

Fig. 3 Nano-hardness distribution of SMRT samples
at different depths from the surface 意的是，在腐蚀介质环境下无论是SMRT还是unSMRT
图 3 SMRT试样距表面不同深度下的纳米硬度分布 试样，在滑动过程中摩擦系数均会出现瞬时波动特