郭玮
[摘 要]采用表面机械滚压处理方法，分别对304L不锈钢进行处理，通过测定试样表层到内部的硬度研究了试样硬度的影响.结果表明，试样表层形成了晶粒取向各异的纳米晶组织，晶粒尺寸与处理环境和处理次数有关.样发生了显著的马氏体相变.硬度显著提高，并能形成较厚的硬化层，而且工业化前景较好.
[关键词]机械滚压 不锈钢材料 性能影响
中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0261-01
引言
在金属材料表面获得纳米结构层主要有混合纳米化、表面自身纳米化以及表面涂覆或沉积三种途径[1]。其中，表面自身纳米化是采用非平衡处理手段增加金属材料的表面自由能，使晶粒尺寸逐渐细化至纳米级。该途径基体和纳米结构表层无明显界面、不易脱落，操作设备简单，且应用广泛[2]。常用的表面自身纳米化方法有表面机械碾压、激光脉冲处理、微细颗粒喷丸、超音速微粒轰击、超声喷丸以及表面研磨处理。本文采用一种全新的表面机械滚压处理技术，对不锈钢材料表面进行处理，以获得该方法对材料组织和性能的影响。
1.实验材料及方法
实验材料为304L不锈钢板，尺寸为5mm*100mm*200mm。304L不锈钢材料的元素质量分数（%）为：S-0.005、P-0.015、Mn-1.29、Si-0.41、Ni-7.98、Cr-18.27、C-0.027，余量为Fe。将试样经过1100℃固溶处理后，产生的表面氧化层用磨床处理去掉。经过固溶处理后的不锈钢微观组织为奥氏体，晶粒尺寸为45～290。 表面机械滚压处理后，试样的表面结构和物相用X射线衍射仪（XRD）观察分析，试样横截面组织用扫描电镜（SEM）和金相显微镜（OM）观察，试样表面微观结构用透射电镜（TEM）观察。首先，用手工方法将试样预磨至80后，采用离子减薄仪和凹坑仪对试样进一步处理，直到试样中心穿孔后制备成TEM试样。试样在硬度仪上以0.50N的载荷保持20s，以测试硬度，取六次测试结果的平均值作为实验结果。
2.实验结果及分析
2.1 表面机械滚压后试样的组织结构分析
不同环境下，试样经表面机械滚压后界面组织金相如图1所示，其中，（a）为液态氮环境下60次循环表面机械滚压处理后的OM像，（b）和（c）分别为室温空气环境下60次和100次循环表面机械滚压处理后的OM 像。由此看出，在液态氮环境下试样经过60次循环的机械滚压处理后，表面产生了板条马氏体组织。室温空气环境下60次和100次循环表面机械滚压处理后，试样呈现了更多的多系孪晶和板条马氏体，晶粒更加细化。
304L不锈钢具有较低的层错能，是fcc结构，孪晶为主要形变方式。如图2所示，为不同环境下表面机械滚压处理后试样组织界面的SEM像，其中，（a）和（b）分别为液态氨环境下60次循环后的SEM以及高倍SEM像，（c）和（d）分别为室温空气环境下60次和100次后的SEM像。由此看出，液态氮环境下表面机械滚压60循环后，试样表面多系孪晶随着距离处理表面深度的增加逐渐被单系孪晶所代替。和室温空气环境下表面机械滚压后的试样相比，液态氮环境下处理的试样机械孪晶现象随着处理次数的增加而更加明显，且更多。这是因为，不锈钢在低温下需要更高的能量才能克服材料屈服强度，使其组织结构发生改变[3]。
如图3所示，为试样经过表面机械滚压处理后的X射线衍射图谱，由此看出，室温空气60次表面机械滚压后，基本看不见试样的奥氏体衍射峰，而液态氮环境下同样处理后奥氏体衍射峰还清晰可见。表明，室温空气环境下试样经过表面机械滚压处理所产生的应变能更大，试样表面组织更容易改变[4]。
2.2 表面机械滚压对不锈钢硬度的影响
如图4所示，为不同环境下表面机械滚压处理后试样硬度和距表面距离的变化。由此看出，经过表面机械滚压处理后，随着距离表面深度的增加试样硬度逐渐降低，但和固溶处理后的试样相比，硬度要高很多。而且，室温空气环境下处理后的试样硬度要高于液态氮环境下处理后试样硬度。经过处理后的试样在距离表面3.5mm范围内产生了明显的硬化，这比传统纳米化处理后产生的几百微米硬化层要厚很多。在室温空气环境下，60次和100次表面机械滚压处理后，在表面2.5mm深度以内试样硬度基本不变，说明在这个深度范围内，60次表面机械滚压处理所产生的残余应力和形变基本饱和。
3.结论
综上所述，和液态氮环境相比，室温空气环境下经过表面机械滚压处理使试样表面晶粒更容易细化，这是由于低温液态氮能够使不锈钢材料具有更大的屈服强度，纳米化组织不容易形成；残余应力和马氏体相更有利于不锈钢表面硬度的提高，但纳米晶的形成是硬度提高的关键因素。随着距离表面深度的增加，表面机械处理过程中形成的机械孪晶、残余应力以及大量形变马氏体成为了试样硬度提升的主要原因[5]。
参考文献
[1] 梁永立，张俊宝，宋洪伟. 表面自纳米化钢铁材料的研究进展[J]. 世界钢铁. 2011（02）.
[2] 何柏林，颜亮，史建平，陈朝霞. 金属材料表面自纳米化及其研究现状[J]. 热加工工艺. 2009（20）.
