表面纳米化是在块体材料表面形成一定厚度的纳米晶组织表层的过程,包括通过热的或机械的方法实现的表面自纳米化,也包括在表面自纳米化的基础上与其他表面处理技术相结合实现的混合表面纳米化。通过表面纳米化处理不但可以将纳米材料的独特性能赋予传统材料以提高其整体性能,也可优化传统表面处理工艺,获得具有独特结构和优越性能的表层,同时为在纳米尺度上系统研究工艺、结构与性能的关系提供理想的样品。 本文选用具有广泛应用背景,且层错能较低的AISI 304不锈钢作为研究对象,利用表面机械研磨处理(SMAT)技术实现表面自纳米化;对表面自纳米化样品做低温离子氮化,实现混合表面纳米化;用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对表面自纳米化样品和混合表面纳米化样品做结构表征;评定和分析了表面自纳米化和混合表面纳米化样品的硬度、耐磨性和耐蚀性等性能。对低层错能材料在SMAT过程中的自纳米化机制以及自纳米化对不锈钢离子氮化的促渗机制进行了探讨,获得了以下主要结论: 1.表面机械研磨实现了AISI 304不锈钢的表面自纳米化。经过15分钟SMAT,在AISI 304不锈钢的表面形成了大约30μm厚的纳米晶组织表层,表层晶粒尺寸约10 nm,随处理时间的增加,晶粒尺寸持续减小而后逐渐趋于稳定;随着距表面深度的增加,晶粒逐渐由随机取向的等轴状纳米晶变成具有择优取向的不规则形状的亚微米晶,晶粒细化逐渐变得不均匀。 2.AISI 304不锈钢在表面机械研磨过程中发生了应变诱导马氏体相变。表层马氏体的含量随处理时间的增长而升高,经15分钟表面机械研磨处理的AISI 304不锈钢表层,马氏体含量趋于100%;随着距表面深度增加,马氏体的含量逐渐减少而奥氏体的含量增加。