南理工纳米异构材料中心《Scripta Materialia》：揭示梯度纳米结构金属优异耐划擦性能的结构起源

2022-07-13 16:49:23 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

近日，南京理工大学纳米异构材料中心团队发现了梯度纳米结构316L不锈钢高耐划擦性能的结构起源，为发展高耐划擦金属材料提供了一种新的设计思路，并将这一进展发表在金属材料领域国际一区顶级期刊《材料快报》（Scripta Materialia）上。题目为“Microstructural origin of high scratch resistance in a gradient nanograined 316L stainless steel” 。纳米异构中心梁斐博士后为第一作者，纳米异构中心徐笑笑硕士生和中科院金属所王鹏飞博士为共同一作，纳米异构材料中心陈翔教授为通讯作者。

前言/背景

金属材料在划擦变形过程中往往伴随着表面和亚表层的开裂以及材料的剥离。研究人员发现，单道次划擦就可以通过在压头前端形成表面折叠产生裂纹。尽管大量的研究聚焦于开裂机制，划擦诱导亚表层微观结构演化和亚表层微塑性对于开裂行为和耐划擦性能的影响仍然未知。近年来，人们发现梯度结构材料通过抑制应变局域化能够表现出优异的摩擦磨损性能，其能否表现出高耐划擦特性值得进一步研究。

全文简述

纳米异构材料中心研究人员研究了粗晶、纳米晶和梯度纳米结构316L不锈钢在单道次划擦过程中的耐划擦性能和结构演化行为。研究发现，粗晶和纳米晶材料在亚表层形成了不均匀的微观结构，导致出现较大力学失配，继而发生裂纹形核和亚表面材料的剥离。相比之下，梯度纳米结构在划擦过程能够保持结构稳定并诱发应变去局域化，其表面和亚表层区域均没有产生裂纹，表现出了优异的耐划擦性能。

图1(a)为粗晶、纳米晶和梯度纳米结构316L不锈钢在50N载荷下划擦的摩擦系数曲线。梯度材料的摩擦系数和曲线波动程度均为最小，且摩擦系数随着载荷增加而缓慢上升。相较于粗晶样品，纳米晶和梯度纳米结构材料划痕的高度和宽度较小。

图1. (a) 粗晶、纳米晶、梯度纳米结构316L不锈钢的摩擦系数与划擦距离的关系曲线，三种样品的(b)摩擦系数与划擦载荷关系图以及(c)划痕的截面轮廓。

图2结果表明，相较于粗晶和纳米晶材料，梯度纳米结构材料的划痕边缘较为光滑，且划痕表面和亚表层均没有发现裂纹，表明梯度结构能够很好地容纳划擦引入的塑性应变。

图2. (a,d) 粗晶、(b,e)纳米晶、(c,f)梯度纳米结构316L不锈钢在50N载荷下进行单道次划擦后的(a-c)表面和(d-f)亚表面SEM形貌图。

图3结果表明，粗晶和纳米晶材料均在划痕前端的亚表层均形成了不均匀的微观结构，其中粗晶材料在亚表层形成了纳米晶被拉长的超细晶和粗晶所包围的复合结构，纳米晶材料则是在亚表层形成了纳米晶摩擦层和超细晶层的复合结构。梯度纳米结构材料在划痕前端和中部的亚表层结构均保持稳定，没有裂纹产生。

图3. (a) 粗晶、(d) 纳米晶、(g) 梯度纳米结构样品划痕前端的SEM表征以及(b-c) 粗晶、(e-f) 纳米晶、(h-i) 梯度纳米结构样品在划痕前端和中部亚表层的TEM表征。

图4结果表明，与采用球形压头的普通摩擦过程相比，采用锥形压头的划擦过程会在样品表面产生远高于材料屈服强度的应力，粗晶和纳米晶材料无法容纳表层较大的塑性应变，而梯度纳米结构则是通过屈服强度的梯度分布可以在更厚的表层内容纳塑性应变，并且塑性应变的梯度较小。

图4. (a) 摩擦和(b) 划擦过程中磨痕中部区域在xz方向上的的应力场分布图，(c) 三种样品的屈服强度和压头接触中心和前端位置所施加应力随深度的变化曲线。

全文链接

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114895

结语

陈翔教授课题组长期从事纳米结构和功能材料摩擦学研究，从材料科学角度研究材料摩擦过程中的结构化学演化及起源，为设计具备优异摩擦学特性的材料提供新原理和新方法。在国际学术刊物Nature electronics, Science Advances, Acta Materialia, Wear, Advanced Materials等国际期刊发表SCI论文34篇。国家级青年人才，江苏省高层次创新创业引进人才，主持国家海外高层次人才项目等项目8项，欢迎优秀研究生、博士后、青年教师加盟。

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