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南理工納米異構材料中心《Scripta Materialia》：揭示梯度納米結構金屬優異耐劃擦性能的結構起源

2022-07-13 16:49:23 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

近日，南京理工大學納米異構材料中心團隊發現了梯度納米結構316L不銹鋼高耐劃擦性能的結構起源，為發展高耐劃擦金屬材料提供了一種新的設計思路，并將這一進展發表在金屬材料領域國際一區頂級期刊《材料快報》（Scripta Materialia）上。題目為“Microstructural origin of high scratch resistance in a gradient nanograined 316L stainless steel” 。納米異構中心梁斐博士后為第一作者，納米異構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。研究人員發現，單道次劃擦就可以通過在壓頭前端形成表面折疊產生裂紋。盡管大量的研究聚焦于開裂機制，劃擦誘導亞表層微觀結構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，人們發現梯度結構材料通過抑制應變局域化能夠表現出優異的摩擦磨損性能，其能否表現出高耐劃擦特性值得進一步研究。

全文簡述

納米異構材料中心研究人員研究了粗晶、納米晶和梯度納米結構316L不銹鋼在單道次劃擦過程中的耐劃擦性能和結構演化行為。研究發現，粗晶和納米晶材料在亞表層形成了不均勻的微觀結構，導致出現較大力學失配，繼而發生裂紋形核和亞表面材料的剝離。相比之下，梯度納米結構在劃擦過程能夠保持結構穩定并誘發應變去局域化，其表面和亞表層區域均沒有產生裂紋，表現出了優異的耐劃擦性能。

圖1(a)為粗晶、納米晶和梯度納米結構316L不銹鋼在50N載荷下劃擦的摩擦系數曲線。梯度材料的摩擦系數和曲線波動程度均為最小，且摩擦系數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構材料劃痕的高度和寬度較小。

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

圖2結果表明，相較于粗晶和納米晶材料，梯度納米結構材料的劃痕邊緣較為光滑，且劃痕表面和亞表層均沒有發現裂紋，表明梯度結構能夠很好地容納劃擦引入的塑性應變。

圖2. (a,d) 粗晶、(b,e)納米晶、(c,f)梯度納米結構316L不銹鋼在50N載荷下進行單道次劃擦后的(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構，其中粗晶材料在亞表層形成了納米晶被拉長的超細晶和粗晶所包圍的復合結構，納米晶材料則是在亞表層形成了納米晶摩擦層和超細晶層的復合結構。梯度納米結構材料在劃痕前端和中部的亞表層結構均保持穩定，沒有裂紋產生。

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

圖4結果表明，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生遠高于材料屈服強度的應力，粗晶和納米晶材料無法容納表層較大的塑性應變，而梯度納米結構則是通過屈服強度的梯度分布可以在更厚的表層內容納塑性應變，并且塑性應變的梯度較小。

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

全文鏈接

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

結語

陳翔教授課題組長期從事納米結構和功能材料摩擦學研究，從材料科學角度研究材料摩擦過程中的結構化學演化及起源，為設計具備優異摩擦學特性的材料提供新原理和新方法。在國際學術刊物Nature electronics, Science Advances, Acta Materialia, Wear, Advanced Materials等國際期刊發表SCI論文34篇。國家級青年人才，江蘇省高層次創新創業引進人才，主持國家海外高層次人才項目等項目8項，歡迎優秀研究生、博士后、青年教師加盟。

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