摩擦导致的钽、铌表面纳米化研究

难熔金属制作的零部件，在实际应用中常因强度不够而过早失效。晶粒细化是金属材料强化的重要手段之一，尤其是晶粒细化到纳米量级后，强化效果显著，但关于纳米晶难熔金属制备、性能的研究极少，对其力学行为，特别是变形机制的理解远远不够。本项目拟采用一种全新的实现表面纳米化方法，即利用滑动摩擦技术，在纯钽、纯铌表面制备一层高硬、高强纳米晶，并通过热处理工艺调整其结构和性能。通过系统表征滑动摩擦处理后表层不同深度处微观结构,研究表层微观结构演变及纳米晶形成机制；探讨纳米化及后续退火处理对钽、铌微观结构，力学行为影响；研究微量元素合金化对钽、铌纳米晶表层热稳定性影响规律及作用机制。此项研究工作不仅可为塑性变形法制备纳米材料提供理论借鉴，有助于深入理解纳米晶bcc结构金属的力学行为与变形机理，而且纳米技术的应用将使难熔金属具有更加广阔的应用前景。

滑动摩擦可以产生极高的应变和应变率导致金属表层强烈塑性变形，从而对微观结构和力学性能产生影响。众多研究结果表明，金属经摩擦处理后，表层微观结构可细化至纳米量级，且沿深度方向呈梯度变化分布。由此，我们提出全新的利用滑动摩擦（Sliding Friction，SF）来实现金属材料表面纳米化的技术，用以在大尺寸平面样品上制备纳米晶结构表层。本项目对纯钽经SF处理亚表层微观结构进行表征，初步研究SF处理对其表层力学行为的影响规律，同时试探性地也对纯铜经SF处理后表层微观结构和力学行为加以研究。迄今，关于bcc难熔金属纳米晶的报道相对较少，本文对纯钽样品的研究可以拓宽对其组织、性能上的认识。其表层强化机理也可为解决在实际应用中难熔金属零部件因强度不够而过早失效等问题提供理论依据。.采用表面SF处理技术在纯钽、纯铜样品表层制备一定厚度的纳米结构层。利用光学显微镜（OM）、差示扫描量热分析（DSC）、X-射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、高分辨电子显微镜（HRTEM）以及维氏硬度计和微小力拉伸试验机等方法研究了纯钽、纯铜表面滑动摩擦处理导致的纳米结构层的宏观组织形貌、微观结构以及力学性能等。主要研究结论如下：.（I）滑动摩擦处理使纯钽表层形成可达约340 微米的塑性变形层；纯铜塑性变形层厚度介于350 ~ 400 微米之间，在滑动摩擦处理后发生软化现象，系应变导致晶粒长大所致。变形层沿深度方向呈梯度变化分布。.（II） 滑动摩擦处理纯钽样品表面晶粒细化为完全等轴纳米晶，晶粒尺寸分布在3 ~ 13 nm之间，平均为约7 nm；纯铜表面晶粒平均尺寸约10 nm。.（III）滑动摩擦处理纯钽样品纳米晶粒内发现了变形孪晶的存在；纳米晶粒间取向角差较大，晶界处呈现明显的非晶结构。.（IV）纯钽样品表层硬度值随深度的增加而降低。最大硬度达2700 MPa，为基体硬度的2.5倍。表层纳米晶体（取表面40 m厚样品）的屈服强度高达700 MPa，为基体粗晶样品的两倍，断裂延伸率1.5 %；纯铜样品显微硬度最大值可达1600 MPa，远大于基体的700 MPa。纳米晶层（取表面40 m厚样品）强度远大于粗晶铜，约460 MPa，均匀延伸率约1 %。表面200 m厚的梯度纳米晶层的强度约为370 MPa，塑性与基体接近。.（Ⅴ）滑动摩擦处理纯钽样品纳米晶粒内发现