表面纳米化工业纯锆的显微组织与残余应力探究

近几十年来，纳米材料以其优越的力学和物理性能获得了广泛而深入的研究。通常认为纳米材料具有较高的强度、硬度和断裂韧性，因此通过表面处理技术在金属材料的表层获得纳米结构对于改善金属材料整体力学性能具有重要应用价值。常见的实现表面纳米化(SNC)的工艺包括表面机械研磨处理(surfacemechanical attrition treatment, SMAT)，超声喷丸(USSP)，超音速微粒轰击(SFPB)等。SMAT 相比较 USSP 和 SFPB 而言，弹丸直径更大，最主要的是表面机械研磨随机的弹丸撞击方向更有利于材料多滑移系或孪晶系的开动以及相互作用，促使纳米晶粒的形成。

表面机械研磨处理是在振动发生器的作用下利用喷丸对金属表层实施多次、反复、多角度的冲击，在金属表层获得较大的应变和应变速率，从而引起晶粒细化，并形成沿层厚方向的具有梯度结构的纳米层，该纳米结构层不会与基体脱离且与基体的结合无明显界面产生，从而提高材料的整体服役性能。残余应力是影响材料表面完整性的重要因素，对表面无类裂纹的材料, 强化层内的残余压应力能够降低外载在表面引起的拉应力水平, 延长疲劳裂纹成核的寿命。因此，SMAT 处理后试样表层残余应力的测定及表征就显得尤为关键。

锆及锆合金热中子吸收截面小，具有较好的耐腐蚀性和高温力学性能，从而被广泛地用于核动力反应堆中的燃料包壳和堆内结构材料。本研究通过对工业纯锆进行表面机械研磨处理使其组织结构沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化，从而使材料的性质和功能也呈梯度变化。分析了表层微观组织，表层晶粒尺寸，残余应力等性能。探讨了微观组织特征和残余应力分布的对应关系，为后续研究其疲劳性能提供了重要的依据。

1 实 验

实验选取尺寸为 100.0 mm100.0 mm4.0 mm的热轧退火态工业纯锆试样，平均晶粒尺寸约为 30m， 其化学成分(质量分数, % )为 0.25Fe，0.13O，0.08C，0.05N，0.012H。在处理前对试样进行除锈、去油、磨边等处理。弹丸材质为铸钢，其直径为 3 mm，密度为 7.8 g/cm3。本实验采用单面喷丸，SMAT 处理时间选取 15、30、45 和 60 min。

对处理后的试样，沿横截面选取金相试样，腐蚀剂为 2HF + 9HNO3+ 9H2O。对 SMAT 处理 45 min 的试样表层利用 JEM-3010 高分辨透射电子显微镜观察。

采用岛津 XRD-7000 型 X 射线衍射仪对处理表面的晶粒尺寸和微观畸变进行测试。所用靶材为 Cu K，扫描角度为 20~80，扫描速度为 6/min，管电压 40kV，管电流 40 mA。

2 结果与分析

2.1 表面纳米化工业纯锆的显微组织

表面纳米化工业纯锆的横截面微观组织如图 1 所示。由于反光显微镜观察锆的金相得不到真实的组织，故采用正交偏光对其组织进行观察。从图 1 可以清楚地看到锆的显微组织、晶粒大小以及位向等。从表层到基体依次可以描述为剧烈变形区(此处晶粒完全碎化)，过渡区(此处组织呈现出大量孪晶)和基体(此处为等轴晶组织)。锆具有密排六方结构，层错能高，对称性差，其独立滑移系少于 5 个，塑性变形将会以滑移和孪晶2 种方式协同进行。图 1 中孪晶数量的多少和分布在一定程度上反映了纯锆在 SMAT 处理过程中的塑性变形程度，并可以近似把孪晶存在的区域视为变形层。从图 1 中可以看出，随着 SMAT 处理时间的增加，变形层内的孪晶密度和数量是逐渐增加的。

在 SMAT 工艺条件下，由于孪晶的相互交割以及位错形态的演化，工业纯锆试样在表层形成纳米结构。由图1可以看到，在试样的最表层，均形成了大约10 m厚、在光学显微镜下无法分辨的变形结构。本研究选取SMAT 处理 45 min 的试样，对其最表层显微组织结构进行了 TEM 分析，图 2a 是相应的 TEM 照片。可以发现，一些纳米尺寸的晶块已经形成，同时含有高密度的位错(图中箭头所指)。图 2b 是图 2a 中白色圆环区域的选区电子衍射花样，选区衍射范围为 120 nm。可以看到已形成了较为连续的圆环，这表明经过 SMAT 处理45 min 的试样，表层晶粒已细化至纳米尺寸。

2.2 表面纳米化工业纯锆的晶粒尺寸与微观畸变

经过 SMAT 处理可以实现工业纯锆的表面纳米化，晶粒的尺寸可通过 XRD 的峰宽化效应进行分析。图 3 是原始试样和经过 SMAT 处理试样的 XRD 图谱。可以看出，与原始试样相比，处理后试样有了明显不同的衍射特征。由于 SMAT 处理过程中晶粒的取向发生转变，因此处理后试样的衍射峰强度也将发生变化。可以看到，处理后(1010)和(1011)晶面衍射峰强度明显增强，而(0002)、(1013)和(0004)晶面的衍射峰强度则降低。

2.3 表面纳米化试样的宏观残余应力

表面纳米化工业纯锆的宏观残余压应力场特征，SMAT 处理后会在试样的整个强化层形成残余压应力场，这可以显著提高材料的疲劳寿命。一般表征残余压应力场有 4 个特征参量，表面残余压应力 srs，最大残余压应力 mrs，最大残余压应力距表面距离 Zm和残余压应力场深度 Z0。表 2 为不同工艺条件下所测得的表面纳米化工业纯锆表层残余压应力的特征参数。由表可知：对于铸钢丸而言，喷丸强度一定时，表面残余压应力 srs随喷丸时间(正比于表面覆盖率)先增大后减小，最大残余压应力 mrs则先增大而后基本保持不变，约为620 MPa。而最大残余压应力距表面深度 Zm和残余压应力场深度 Z0都随着喷丸时间的增加而加深。

3 结 论

1) SMAT 处理可以实现工业纯锆的表面纳米化，在试样表层形成具有梯度分布的纳米结构。

2) 表面纳米化工业纯锆的平均微观畸变随着处理时间的增加逐渐增大，SMAT 处理 60 min 试样的平均微观畸变约为 0.41%。

3) 当 SMAT 处理其他参数一定时，随 SMAT 处理时间增加，表面残余压应力 srs先增大后减小，最大残余压应力 mrs先增大而后趋于稳定，而最大残余压应力距表面距离 Zm和残余压应力场深度 Z0都随着处理时间的增加而加深。