纳米晶体材料由于晶粒细小，界面密度高，具有独特的力学及物理化学性能，因而得到 普遍重视和广泛深入的研究。其中块体金属纳米材料的研究已成为研究热点之一。现有的多 种金属纳米材料制备方法由于各自的局限性而难以制备用作工程金属结构材料的大尺寸块体 纳米金属，从而限制了纳米材料在工业上的实际应用。而在传统工程金属结构材料表面制备 出一层具有纳米晶体结构表面层的表面纳米化处理技术，利用纳米金属材料的优异性能对传 统工程金属结构材料进行表面改性，进而提高材料的综合力学性能。不仅突破了现有块体金 属纳米材料制备方法的局限性，也易于实现并有望取得实际应用。目前有关金属材料表面纳 米化的研究已涉及了纯铁、低碳钢、奥氏体不锈钢、有色合金(铜、铝及其合金)等不同金 属。其中有关钢铁的研究都集中在单相铁素体或奥氏体的研究，没有涉及到第二相(如渗碳 体)研究的相关报道。渗碳体作为组织中一种重要的组成相，它的数量、形状、分布对钢铁 的性能有极大影响。因而有关铁素体纳米化、渗碳体纳米化以及铁素体纳米化和渗碳体纳米 化的交互作用的研究在工业上具有实际应用价值。本文主要研究中碳低合金钢(包括铁素体 和第二相渗碳体)表面纳米化组织结构和力学性能，并探讨了表面纳米化机制。 本论文采用超音速高能表面处理技术(USHPSP)分别在退火态和调质态40Cr钢表面制 备出纳米晶体结构的表面层，成功地在退火态和调质态40Cr钢上实现了表面纳米化。采用X 射线衍射、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜和穆斯堡尔谱分析了USHPSP处理试样的组 织结构，利用显微硬度和纳米压痕技术研究了表面纳米层的力学性能。探讨了USHPSP处理 退火态和调质态40Cr钢中基体相铁素体的纳米化机制、第二相渗碳体的纳米化机制、铁素体 纳米化和渗碳体纳米化的交互作用及其对表面纳米化的影响。 USHPSP处理退火态40Cr钢和调质态40Cr钢表面形成纳米晶体结构的表面层。从表面 沿深度方向上分为纳米层、过渡区和基体。两者的表面纳米层都是由渗碳体纳米晶和铁素体 纳米晶组成，SAED图为渗碳体和bcc结构铁素体的衍射环。而且调质态40Cr钢纳米层最表 面处的SAED图为bcc结构铁素体的衍射环。渗碳体发生溶解，纳米晶几乎全是铁素体纳米 晶。力学性能测试结果表明，USHPSP处理调质态40Cr钢试样表面纳米层的硬度高达8.0 GPa， 为表面纳米化前试样硬度的三倍。沿深度方向上从表面到基体硬度逐渐减少。 USHPSP处理退火态40Cr钢中层片状渗碳体的纳米化机制是变形、断裂、碎化机制。高 速运动的微粒与试样轰击碰撞使试样表面发生强烈塑性变形，铁素体在外力作用下发生塑性 变形，由于铁素体和渗碳体变形能力不同，在铁素体和渗碳体界面处产生应力和应力集中。 另外铁素体晶粒内的位错运动受阻于渗碳体层片，位错塞积在铁素体和渗碳体界面处也产生 应力和应力集中。应力增大，渗碳体层片发生弯曲变形，当应力超过珠光体的断裂强度时， 渗碳体层片断裂，进而碎化为纳米晶。USHPSP处理调质态40Cr钢中粒状渗碳体的纳米化机 制为碎化机制。微粒的轰击碰撞使试样表面发生塑性变形。与层片状渗碳体相似，由于铁素 体和渗碳体变形能力不同，铁素体晶粒内的位错运动受阻于渗碳体颗粒而在铁素体和渗碳体 界面处产生位错塞积，以及应力通过铁素体传递给相邻的粒状渗碳体，这三个方面导致铁素 体和渗碳体界面处产生应力集中。随着应力的增大，粒状渗碳体晶粒破碎并形成纳米晶。而 且渗碳体先于单相铁素体形成纳米晶。由于碳原子与位错的结合能大于渗碳体中碳原子与铁 原子的结合能，铁素体和渗碳体界面处位错与渗碳体中碳原子结合导致部分渗碳体发生溶解， 纳米层为渗碳体纳米晶和铁素体纳米晶，而纳米层最表面处只有铁素体纳米晶。 层片状渗碳体和粒状渗碳体的纳米化机制相比较，层片状渗碳体发生变形和断裂形成颗 粒状渗碳体，而粒状渗碳体没有此过程。由于粒状渗碳体分散在铁素体内，而不是将铁素体 隔开，因而USHPSP处理调质态40Cr钢中应力导致铁素体塑性变形程度更大，位错密度更 高。而且调质态40Cr钢中铁素体和渗碳体界面处位错与渗碳体中碳原子结合使渗碳体溶解， 在变形最显著的纳米层最表面处纳米晶只有铁素体纳米晶。 USHPSP处理退火态40Cr钢和调质态40Cr钢中铁素体的纳米化机制都是位错机制。由 于微粒与试样的轰击碰撞使铁素体晶粒内部产生位错，发生塑性变形。重复的轰击碰撞使位 错增殖、运动，形成位错胞，进而形成亚晶粒，最终形成铁素体纳米晶。但是由于第二相渗 碳体的存在，铁素体中位错的运动受到渗碳体的强烈阻碍作用。不同形态(层片状、颗粒状) 渗碳体对铁素体纳米化的影响不同。 USHPSP处理退火态40Cr钢初期，由于层片状珠光体中渗碳体层片将铁素体隔开，铁素 体的塑性变形被限制在渗碳体层片之间的区域范围内，因此铁素体的塑性变形程度小。由于 铁素体和渗碳体变形能力不同，在铁素体和渗碳体界面处产生应力集中，同时铁素体内位错 运动遇到渗碳体层片而受阻，在铁素体和渗碳体界面处位错塞积产生应力集中。随着USHPSP 处理的继续，应力集中不断增大，渗碳体层片变形、断裂成为渗碳体颗粒。此时轰击碰撞导 致铁素体产生大量的位错，同时邻近铁素体之间应力传递变的容易使铁素体内位错密度增大。 粒状渗碳体对位错具有钉扎作用，一定程度上阻碍了铁素体内位错运动，以及位错胞、亚晶 粒和纳米晶的形成。USHPSP处理调质态40Cr钢中粒状渗碳体也阻碍铁素体的纳米化。与层 片状渗碳体不同的是，粒状渗碳体没有将铁素体隔开，因而铁素体纳米化受粒状渗碳体阻碍 作用不如层片状渗碳体那样严重。 关键词： 表面纳米化，40Cr钢，纳米化机制，组织结构，力学性能，超音速高能表面处理