金属材料表面机械研磨技术机理及研究现状

张辉，宫梦莹（东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室，辽宁 沈阳110819）

金属材料在服役过程中，表面经常发生诸如疲劳、磨损、腐蚀等失效行为，极大地限制了金属材料的应用及发展。由于这些失效现象与材料表面的结构和性能息息相关，因此，制造出具有高强度、高韧性的优异体性能并结合高耐腐蚀性和耐磨性的优异表面性能的新型材料，是当今金属材料研究生产的重中之重。

纳米晶体材料是指晶粒尺寸在纳米量级（＜100 nm）的多晶材料，其比表面积非常高。但是由于传统制造技术的制约，纳米晶体材料在工业领域的应用进程缓慢。1999年，中国科学院卢柯院士提出了金属材料表面纳米化的新概念[1]，即在金属材料表面制备纳米晶体，使材料表面获得纳米材料的优异性能，同时保证材料内部的晶体组织和性能不改变。目前，已经研究出了多种材料表面纳米化的方式，根据形成机制的不同，可分为表面沉积纳米化、表面自身纳米化和混合纳米化三种基本方式[1]。其中，表面自身纳米化技术是指对材料表面进行处理，以获得纳米级表面结构，同时保留金属材料的体性能。

表面机械研磨处理（简称SMAT）技术即属于表面自身纳米化技术的一种，通过SMAT技术可以在金属材料表面制备出纳米晶体结构，同时提高金属材料表面部分的机械性能。本文介绍了SMAT技术的实施方法和纳米化机理，并对金属材料的改善作用进行了分析说明。

1 SMAT技术

SMAT技术是一种先进的金属材料表面处理技术。此技术通过对材料表面进行高频高速、无特定方向的重复撞击，使材料表面的粗晶组织在外加载荷的作用下，在不同方向上产生强烈塑性变形并逐渐细化至纳米量级。已有的大量研究表明，在纯铁、钢及其他金属和合金上应用SMAT技术制备表面纳米晶层，可以提升金属材料表面的硬度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性等多方面性能[2-4]。

1.1 SMAT实施方法

SMAT技术是一种高效制备表面纳米结构晶层的方法。在SMAT处理过程中，先将待处理材料固定于研磨腔内，并在研磨腔内放置一定数量的直径为1～10 mm的金属球；然后通过电机带动研磨腔进行往复运动，研磨腔内的金属球也随之发生随机、无固定方向的运动。其间，金属球在短时间内对待处理材料进行的高速不定向击打，即为机械研磨处理。采用SMAT技术对金属材料表面进行处理时，要求使用的金属球表面是光滑的，金属球的成分、尺寸和数量由被处理材料的成分、尺寸决定。处理中，所使用电机、研磨腔尺寸和金属球尺寸不同，金属球的运动速度也不同，约为1～20 m/s。金属球对被处理材料施加的单次外力作用虽不足以使其发生强烈塑性变形，但高频、大量的作用累积，金属球对被处理材料的作用加权，将使其发生强烈的塑性变形。SMAT设备和处理过程中金属球撞击样品引起局部塑性变形的示意图[1]分别见图1、图2，金属球对被处理材料的每一次撞击，都会引起被处理材料的高应变率塑性变形。

图1 SMAT设备示意图

图2 金属球撞击样品引起局部塑性变形的示意图

1.2 SMAT影响因素

SMAT技术主要工艺参数包括金属球撞击能量、频率和方向。大能量金属球有助于形成金属材料表面的塑性变形结构。提高金属球的撞击能量和频率，可以增加塑性变形层厚度。在采用SMAT技术处理时，金属球是以随机的运动方向对金属材料表面进行作用的，这种运动方式有助于在金属材料表面的不同方向上制造出小的塑性变形区域，并使材料整体的塑性变形呈现无取向分布。

金属材料本身的特性会对SMAT技术的处理结果产生重要影响。金属材料的本质特性包括材料的层错能、晶体结构和取向等。金属材料的晶粒取向也会对SMAT技术的处理结果产生影响。在同样的外加载荷作用下，晶粒取向不同，其所能开动的滑移系数目不同，所能产生的位错及孪晶的数量和方向也不同。

1.3 SMAT处理效果

采用SMAT技术对金属材料表面进行处理，可以在材料的表面区域获得纳米晶体组织[1]。

中国科学院金属研究所对纯铁材料进行SMAT处理并研究其性能。研究显示，经过60 min的表面机械研磨处理，在纯铁材料表面获得了超过150 μm深的强塑性变形层；材料表面的晶粒尺寸可细化至10 nm，低于表面20 μm处的晶粒尺寸可细化至100～200 nm；原始粗晶纯铁和SMAT处理后纯铁样品在距外表面50 μm左右深度的SEM 照片[5]如图3所示。

采用 SMAT 技术对 38CrMoAl[6]、304[7]、316L[8]等钢铁材料以及其他金属材料进行处理，也可以获得与纯铁相似的表面纳米晶体组织。法国研究人员T.Roland对316L不锈钢进行SMAT处理，在使用直径为2 mm和3 mm的不锈钢球处理15 min后，获得了深度为40 μm，晶粒尺寸为20 nm的纳米晶体组织[9]。Wang等人对原始晶粒尺寸为200 μm 的纯铜进行 SMAT 处理[10]，在使用 8 mm的不锈钢球分别处理5 min和30 min后，在纯铜表面获得了纳米晶体组织。Zhu等人对α-Ti表面进行SMAT处理，获得了深达150 μm的表面纳米晶体组织[2]。

图3 距外表面50 μm左右深度的SEM照片

2 SMAT的纳米化机理

采用SMAT技术可使金属材料表面晶粒细化至纳米量级。深入理解SMAT技术引起金属材料表面晶粒细化和纳米化的机理，对研究SMAT技术有着至关重要的意义。采用SMAT技术在粗晶金属材料表面制备纳米晶体组织主要涉及各种位错运动和晶界发展，而位错运动和晶界发展则与金属材料本身的晶格结构和层错能紧密相关。不同的金属材料具有不同的层错能[11-12]。大量研究显示，具有高层错能的材料，由SMAT处理引发纳米化的主要机制，在于位错墙和位错胞的形成促进了亚晶界的形成；具有低层错能的金属材料，孪晶的形成是导致晶粒纳米化的主要原因。

2.1 高层错能材料

纯铁是一种常见的、具有高层错能的金属。纯铁晶粒为面心立方结构，层错能约为200 MJ/m2。在SMAT处理过程中，纯铁材料表面晶粒纳米化的主要机制[12]为：① 致密位错墙及位错缠结的发展；②致密位错墙和位错缠结向不同小倾角亚晶界的转变；③亚晶界向高错位晶界的演变。图4所示即为纯铁在SMAT处理过程中晶粒细化机制的示意图[13]。对于原始纯铁粗晶，SMAT处理引起的塑性应变激发了位错活动，从而在（110）滑移面形成了致密的位错墙，同时在极少数晶粒中形成位错缠结。这种情况继续发展的结果是位错墙和位错缠结将晶粒内部分隔成一个个独立的位错胞。在处理过程中，金属球对纯铁表面的多角度、重复撞击导致了晶粒内部滑移系统的改变，新旧位错在相同或不同滑移系互相作用。随后，致密的位错墙和位错缠结使原始粗晶内部生成亚晶粒。随着塑性形变的发生，位错墙和位错缠结的发展，亚晶界逐渐转变成小角度晶界。随着应变的增多，更多的位错在亚晶界处生成和湮灭，促使亚晶界处的自由能升高，晶界错配程度增大。随着样品表面所产生的塑性应变的增加，晶粒被不断细化。当位错增值与湮灭的速率达到平衡时，晶粒尺寸则达到一个稳定的数值不再降低。

图4 纯铁采用SMAT技术处理过程中晶粒细化机制的示意图

2.2 低层错能材料

304不锈钢是常见的面心立方结构晶体，具有较低的层错能，约为16.8 MJ/m2。经SMAT处理后，304不锈钢晶粒细化的主要机制为：①平面位错阵列与孪晶的形成；②亚晶的形成及马氏体相变；③ 纳米晶的形成[14]。不同于高层错能晶体，低层错能晶体中的不全位错很难通过滑移形成位错胞，但容易在{111}平面形成位错阵列和孪晶。随着各 {111}晶面上孪晶数量的增加和互相作用的增多，晶粒内的应变增大，原始的粗晶奥氏体被分为亚晶粒，同时发生应变诱发马氏体相变，而这也促进了晶粒的进一步细化。最后，孪晶的交割及高应变促使纳米级马氏体晶粒的生成。同时，由于晶粒的旋转和晶界的运动使得纳米晶体组织中的晶粒呈随机的无取向分布。

2.3 具有HCP结构的材料

不同于常见的立方晶系，钛晶粒为密排六方结构。由于钛的结构特殊，在经过SMAT处理以获得表面纳米晶体组织时，钛的晶粒细化机制与立方晶系金属不同。Zhu在详细的研究后发现，在纳米化时，粗晶钛是先产生孪晶组织[2]，随后在高应变的作用下，位错发生滑移运动。具体的纳米化机制为：① 孪晶大量形成后，不同滑移系的孪晶发生交割；② 位错墙的形成；③ 位错墙滑移并伴随微带的形核；④微带亚分裂成低错配角的区块后，继续分裂成高错配角的多边亚微米晶粒；⑤亚微米晶粒细化成无取向、随机分布的纳米晶粒。在最后的细化阶段，旋转式动态再结晶机制起主要作用。

3 SMAT在金属材料表面改性方面研究现状

采用SMAT技术对金属材料的表面进行改性处理，不仅可以在金属材料表面形成纳米晶粒和亚微米晶粒，伴随而生的大量晶界、位错和孪晶，为合金元素在基体金属材料中发生扩散和相变反应，提供了动力学和热力学方面的助力，同时也可以改善金属材料的各种性能。

3.1 改善金属材料化学热处理情况

化学热处理是一种常见的金属表面处理技术，其本质是合金元素向金属基体中的扩散，以及与金属元素发生的一系列反应。大量研究显示，对经过SMAT处理的金属基体进行化学热处理，可以显著提高合金元素在基体材料中的扩散动力及反应动力，并提升化学热处理后金属材料的性能。

SMAT处理会提高N元素在纯铁中的扩散和相变动力。将纯铁材料进行SMAT处理后渗氮，在远低于常规温度 （300℃）下即可得到氮化铁组织[5]。纯铁经过SMAT处理得到表面纳米晶层后，ε-Fe2-3N相可以在较低的温度或氮势下生成。在450℃、不同氮势下，经SMAT处理后纯铁样品渗氮结果的XRD曲线[16]如图5所示。450℃下，在纳米晶层中生成ε-Fe2-3N相的临界氮势约为5.34×10-3Pa-1/2，远低于在粗晶中的临界氮势 8.79×10-3Pa-1/2。在相变动力学方面，当平均晶粒尺寸由100 μm降低至10 nm时，ε-Fe2-3N相的形核率可以提高104倍。经过SMAT处理的纯铁样品表层晶粒已达到纳米量级，这一区域的高比表面积使N在其中的扩散应以晶界扩散为主。由于N在晶界的扩散速率高于其在晶内的扩散速率，因此大量的晶界和缺陷成为了N原子的高速扩散通道。另一方面，缺陷及晶界处储存的高自由能会增大N原子的扩散系数，同时提高氮化铁在这些位置的形核驱动力，进而提高氮化铁的形核率。

图5 在450℃、不同氮势下，经SMAT处理后纯铁样品渗氮结果的XRD曲线

经过SMAT处理后，纯铁材料渗氮后的机械性能也可以得到明显的提升[16-17]。图6为粗晶纯铁样品和经SMAT处理后纯铁样品渗氮后硬度随深度变化曲线[17]。从图6中不难看出，SMAT处理后的纯铁样品,表面渗氮层的硬度可达到6.1 GPa，这一结果远高于常规粗晶纯铁表面渗氮层的硬度值（4.0 GPa）。 当深度超过 150 μm 时，SMAT 处理对纯铁渗氮后的硬度水平的影响才逐渐消失。在耐磨性能方面，经过SMAT处理的纯铁渗氮材料，其化合物层的摩擦系数为0.18～0.22；而未经SMAT处理的样品在相同位置的摩擦系数为0.27，略高于前者。

图6 SMAT处理前后纯铁样品渗氮后硬度随深度变化曲线

在对Cu进行SMAT处理后，Ni在铜基体中的扩散能力也会大幅度提升[9]。在110～165℃的温度下，对经SMAT处理过的Cu进行渗Ni处理60 min。放射物示踪结果显示，在最表面的10 μm处，Ni在Cu中的有效扩散系数达到在普通Cu中的100倍。在30～50 μm深度处，Ni在Cu中的有效扩散系数最高可达在普通Cu中的104倍。分析表明，经SMAT处理过的纯铜表面，可能是界面处存在的非平衡相，引起了Ni在Cu中扩散系数的提高；且其中的大角度晶界自由能较未经过处理的Cu多了30%，也促进了Ni在Cu中的扩散。

SMAT技术也可以显著增强AISI 321不锈钢的渗氮能力和渗氮效果[13]。对AISI 321奥氏体不锈钢进行SMAT处理后，会在材料表面产生纳米晶层[14]。随后在400℃下对321不锈钢用脉冲直流辉光等离子技术进行渗氮处理，即可获得明显的渗氮层。研究表明，表面机械研磨处理有助于AISI321不锈钢的表面形成相对较厚的S相和扩散层。相对于未经过机械研磨处理的样品，处理过的样品在渗氮后的表面硬度、承受能力和韧性均有明显提高，表面的耐磨性相较于未处理过的样品提高了3～10倍。

3.2 改善金属材料机械性能

SMAT技术通过在金属材料表面产生强塑性变形，达到将金属材料表面晶粒细化至纳米量级的目的。塑性变形在引起晶粒细化的同时，也带来了大量孪晶和位错，这些微观组织通过不同机制对金属材料本身的性能产生积极影响。

SMAT技术可以增强TWIP钢的屈服强度[18]。采用SMAT处理可在TWIP表面形成纳米晶体结构，并使样品表面的孪晶和位错的密度升高。随着深度的增加，晶粒尺寸增大，孪晶和位错的密度则降低。纳米晶粒、孪晶和位错在TWIP钢样品表面形成硬质相区，该硬质相区的体积约占总样品体积的15%。硬质相区中孪晶与孪晶、孪晶与位错之间的交互作用，使TWIP钢样品在不损失延展性的前提下具有高的拉伸强度。Mei在研究SMAT处理对NiTi合金的作用时发现，经过SMAT处理后，NiTi合金样品的杨氏模量显著升高[19]。当晶粒尺寸细化至6 nm时，样品的杨氏模量升高至85 GPa。分析表明，晶粒尺寸对杨氏模量的影响可能是由于SMAT处理抑制了应变诱导马氏体相变造成的。

在金属材料表面性能改进的其他方面，SMAT技术也展现出了优异的改进效果和良好的应用前景。C.Kavitha将SMAT技术应用于钢的锌系磷化处理中[20]，Tang将SMAT技术应用于制造汽车用能量吸收器中[21]，均取得了良好的成果。

3.3 改进金属材料生物性能

通过SMAT技术在β-Ti表面制备纳米晶层，可使β-Ti样品的细胞功能和机械性能均得到极大提升，使具有表面纳米晶层的β-Ti成为外科手术中的理想植入物[22]。Wen等人也将SMAT技术应用于各种钛金属及合金的研究中，并获得了令人欣喜的成果[23]。可以预言，SMAT技术在材料表面性能改进方面的优势将使SMAT技术在生物材料领域发挥极大的作用。

4 结论

SMAT技术是一种先进的金属材料表面组织处理技术。通过研磨球的高频率、高能量、无定向撞击，在金属材料表面引发强塑性变形，进而导致金属材料表面晶粒细化，伴随生成大量孪晶和位错等缺陷。这种金属材料表面的特殊结构通过不同机制对金属材料表面性能起到提升和改进的作用，包括金属材料的化学热处理情况、机械性能和生物性能等，使SMAT技术在制备具有优异表面性能金属材料领域拥有广泛的前景。