面心立方金属激光冲击表面纳晶化与微结构研究

摘要

激光冲击技术是利用脉冲激光束辐照形成冲击应力波,从而实现材料表面改性的一种全新的表面强化技术。激光冲击超高应变速率下材料将会表现出许多与低应变率加载不同的显微亚结构特征。为深入了解激光冲击对材料微观组织和性能的影响以及面心立方金属在激光冲击超高应变速率下纳晶化和形变强化的机理,本论文利用输出波长为1064nm、脉冲宽度为20ns、光斑直径为3mm的调Q钕玻璃激光对纯铝、纯镍、纯铜和2Cr13Mn9Ni4奥氏体不锈钢进行表面冲击强化处理。采用热场发射扫描电镜和透射电镜观察并分析了冲击后上述材料表面形貌、截面组织形貌、微观组织结构,并进行了显微硬度测试。通过表面形貌的观察、微结构分析表征和力学性能测试,探讨了激光冲击面心立方金属的表面晶粒纳晶化机制和微结构演变机制,并对多次激光冲击微观结构的演变规律作了初步研究。
　　 研究结果表明:(1)激光单次冲击后纯铝、纯镍、纯铜和奥氏体不锈钢冲击中心表层局部区域发现了纳米晶体结构,在纳米晶粒周围观察到非晶组织。纯铝冲击中心局部区域观察到细化并非均匀的组织,由等轴亚微米晶粒和强烈形变晶粒构成,这说明激光冲击表面晶粒细化微观上并非均匀。
　　 (2)激光单次冲击后各材料表面均发现宏观冲击坑与微观冲击坑,冲击中心表层截面区域无大范围形变组织。激光单次冲击纯铝诱发晶格畸变,诱发包括位错圈、位错胞、位错墙以及复杂位错网络在内的大量微结构,晶粒内存在大量刃型位错,还观察到少量层错。激光单次冲击后纯镍大晶粒局部分化形成尺寸较小的亚晶,还发现有明显的位错胞状组织和形变孪晶组织。单次激光冲击纯铜诱发包括位错圈、孔洞在内的空位簇缺陷,晶粒内发现位错胞、形变孪晶以及外应力诱发的层错等缺陷。单次激光冲击奥氏体不锈钢,缺陷组态转变为高密度层错与形变孪晶相结合的形态特征。
　　 (3)激光冲击强化的微观机制应当分为激光冲击诱导的晶粒细化机制与冲击诱导的微结构演变机制两个部分。激光冲击诱导的晶粒细化机制应是自组织晶粒分化机制和绝热剪切动态旋转再结晶间竞争与综合的过程。位错滑移机制可以很好地解释高应变速率下中高层错能金属强烈塑性形变后微结构的演变,而对于中低层错能金属,形变孪生与层错机制是一种有效地为滞留应变而发生的塑性形变方式。此外,空位簇机制也是激光冲击强化的微观机理之一。
　　 (4)激光三次冲击后,纯铝、纯铜和奥氏体不锈钢样品表面产生明显的凹凸不平现象,多次冲击将使变形组织往冲击深度方向扩展。三次冲击后纯铝位错胞尺寸下降,大量位错出现扭折、缠绕,遇到晶界或亚晶界的阻碍时发生位错塞积现象。三次激光冲击纯铜晶界两侧观察到微条带组织,不锈钢层错的分布密度也明显提高,大量层错呈多向交叉分布,层错宽度也有下降的趋势。
　　 (5)激光多次冲击有利于改善材料的表面性能。三次冲击使不锈钢表面峰值硬度和硬化层深度大幅提高,而纯铝纯铜由于单次冲击效果趋于饱和,三次冲击提升效果有限。冲击诱发晶格内复杂的缺陷组态造成晶格畸变以及局部区域晶粒微纳米化应该是表面硬度提高的主要原因。