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南理工納米異構(gòu)材料中心《Scripta Materialia》：揭示梯度納米結(jié)構(gòu)金屬優(yōu)異耐劃擦性能的結(jié)構(gòu)起源

2022-07-13 16:49:23 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

近日，南京理工大學(xué)納米異構(gòu)材料中心團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了梯度納米結(jié)構(gòu)316L不銹鋼高耐劃擦性能的結(jié)構(gòu)起源，為發(fā)展高耐劃擦金屬材料提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，并將這一進(jìn)展發(fā)表在金屬材料領(lǐng)域國際一區(qū)頂級期刊《材料快報(bào)》（Scripta Materialia）上。題目為“Microstructural origin of high scratch resistance in a gradient nanograined 316L stainless steel” 。納米異構(gòu)中心梁斐博士后為第一作者，納米異構(gòu)中心徐笑笑碩士生和中科院金屬所王鵬飛博士為共同一作，納米異構(gòu)材料中心陳翔教授為通訊作者。

前言/背景

金屬材料在劃擦變形過程中往往伴隨著表面和亞表層的開裂以及材料的剝離。研究人員發(fā)現(xiàn)，單道次劃擦就可以通過在壓頭前端形成表面折疊產(chǎn)生裂紋。盡管大量的研究聚焦于開裂機(jī)制，劃擦誘導(dǎo)亞表層微觀結(jié)構(gòu)演化和亞表層微塑性對于開裂行為和耐劃擦性能的影響仍然未知。近年來，人們發(fā)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)材料通過抑制應(yīng)變局域化能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦磨損性能，其能否表現(xiàn)出高耐劃擦特性值得進(jìn)一步研究。

全文簡述

納米異構(gòu)材料中心研究人員研究了粗晶、納米晶和梯度納米結(jié)構(gòu)316L不銹鋼在單道次劃擦過程中的耐劃擦性能和結(jié)構(gòu)演化行為。研究發(fā)現(xiàn)，粗晶和納米晶材料在亞表層形成了不均勻的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致出現(xiàn)較大力學(xué)失配，繼而發(fā)生裂紋形核和亞表面材料的剝離。相比之下，梯度納米結(jié)構(gòu)在劃擦過程能夠保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并誘發(fā)應(yīng)變?nèi)ゾ钟蚧浔砻婧蛠啽韺訁^(qū)域均沒有產(chǎn)生裂紋，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐劃擦性能。

圖1(a)為粗晶、納米晶和梯度納米結(jié)構(gòu)316L不銹鋼在50N載荷下劃擦的摩擦系數(shù)曲線。梯度材料的摩擦系數(shù)和曲線波動(dòng)程度均為最小，且摩擦系數(shù)隨著載荷增加而緩慢上升。相較于粗晶樣品，納米晶和梯度納米結(jié)構(gòu)材料劃痕的高度和寬度較小。

圖1. (a) 粗晶、納米晶、梯度納米結(jié)構(gòu)316L不銹鋼的摩擦系數(shù)與劃擦距離的關(guān)系曲線，三種樣品的(b)摩擦系數(shù)與劃擦載荷關(guān)系圖以及(c)劃痕的截面輪廓。

圖2結(jié)果表明，相較于粗晶和納米晶材料，梯度納米結(jié)構(gòu)材料的劃痕邊緣較為光滑，且劃痕表面和亞表層均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，表明梯度結(jié)構(gòu)能夠很好地容納劃擦引入的塑性應(yīng)變。

圖2. (a,d) 粗晶、(b,e)納米晶、(c,f)梯度納米結(jié)構(gòu)316L不銹鋼在50N載荷下進(jìn)行單道次劃擦后的(a-c)表面和(d-f)亞表面SEM形貌圖。

圖3結(jié)果表明，粗晶和納米晶材料均在劃痕前端的亞表層均形成了不均勻的微觀結(jié)構(gòu)，其中粗晶材料在亞表層形成了納米晶被拉長的超細(xì)晶和粗晶所包圍的復(fù)合結(jié)構(gòu)，納米晶材料則是在亞表層形成了納米晶摩擦層和超細(xì)晶層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。梯度納米結(jié)構(gòu)材料在劃痕前端和中部的亞表層結(jié)構(gòu)均保持穩(wěn)定，沒有裂紋產(chǎn)生。

圖3. (a) 粗晶、(d) 納米晶、(g) 梯度納米結(jié)構(gòu)樣品劃痕前端的SEM表征以及(b-c) 粗晶、(e-f) 納米晶、(h-i) 梯度納米結(jié)構(gòu)樣品在劃痕前端和中部亞表層的TEM表征。

圖4結(jié)果表明，與采用球形壓頭的普通摩擦過程相比，采用錐形壓頭的劃擦過程會在樣品表面產(chǎn)生遠(yuǎn)高于材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力，粗晶和納米晶材料無法容納表層較大的塑性應(yīng)變，而梯度納米結(jié)構(gòu)則是通過屈服強(qiáng)度的梯度分布可以在更厚的表層內(nèi)容納塑性應(yīng)變，并且塑性應(yīng)變的梯度較小。

圖4. (a) 摩擦和(b) 劃擦過程中磨痕中部區(qū)域在xz方向上的的應(yīng)力場分布圖，(c) 三種樣品的屈服強(qiáng)度和壓頭接觸中心和前端位置所施加應(yīng)力隨深度的變化曲線。

全文鏈接

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

結(jié)語

陳翔教授課題組長期從事納米結(jié)構(gòu)和功能材料摩擦學(xué)研究，從材料科學(xué)角度研究材料摩擦過程中的結(jié)構(gòu)化學(xué)演化及起源，為設(shè)計(jì)具備優(yōu)異摩擦學(xué)特性的材料提供新原理和新方法。在國際學(xué)術(shù)刊物Nature electronics, Science Advances, Acta Materialia, Wear, Advanced Materials等國際期刊發(fā)表SCI論文34篇。國家級青年人才，江蘇省高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)引進(jìn)人才，主持國家海外高層次人才項(xiàng)目等項(xiàng)目8項(xiàng)，歡迎優(yōu)秀研究生、博士后、青年教師加盟。

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