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[摘 要]表面机械研磨处理工艺在机械切削、物理以及化学共同作用下能够提高金属材料的强度和韧性，是增强钢材料力学性能的重要工序。本文以IF钢材料为研究对象，利用实验方法研究了表面机械研磨处理技术对冷轧IF钢板表面纳米化、织构组分以及力学性能的影响。本文研究对钢材料表面处理工艺的优化提供理了科学参考。
[关键词]表面机械研磨 钢材料 纳米化
中图分类号：TD421 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0257-01
引言
金属材料经过表面机械研磨处理能够制造出晶粒尺寸沿深度方向连续变化的梯度结构，使得能够在一块金属样品上同时研究因形变而诱发的纳米化机理、宽度尺寸范围内组织与性能的关系。本文以典型丝织构冷轧IF钢板为研究对象，研究表面机械研磨处理的样品结构与织构沿深度方向的演变以及对其性能的影响。
1.实验方法
本文选用压下率为82%的IF钢板，化学质量分数为：N-0.002、Ti-0.06、Nb-0.005、AI-0.034、P-0.006、S-0.006、Mn-0.13、Si-0.016、C-0.0037，余量为Fe。将上述钢板切割成100mm*100mm的样块并进行表面机械研磨处理。处理工艺参数为：处理时间1h，振动频率50Hz，弹丸直径8mm。用光学显微镜观测经过表面机械研磨处理后的样品横截面，用透射电镜观测不同深度的样品微观组织。按照Schulz背反射法，利用织构测量仪测定表面机械研磨处理后的样品分层织构。采用辐射测量三张不完成的极图，{110}、{100}以及{211}。采用电子万能实验机对经过双面处理的样品进行拉伸试验，以分析样品性能。按照薄图1 煤化工过程带塑性和金属薄板应变比方法进行拉伸试验，试样原始标距为24mm，原始宽度为13.6mm，拉伸速度为4.8mm/min，至少选取3片试样进行拉伸。冲头速度为2.8mm/min，实验压紧力为9.8kN。
2.实验结果
经过表面机械研磨处理后样品的横截面金相组织如图1所示。由此可知，样品表面发生了变形层厚度为79～101的强烈塑性表型。从整体来看，变形量存在着少量的不均匀性，大部分沿深度方向逐渐减小。样品显微组织也呈现出和变形量相对应的梯度变化，由此说明，利用透射电镜观测不同深度组织可以揭示组织变化过程。
如图2所示，为表面机械研磨处理后样品表面不同深度的透射电镜像及对应选区电子衍射结果。图3为与图2相对应深度组织织构的分布函数计算结果。图4为经过表面机械研磨双面处理后样品的性能测试曲线。
3.实验结果分析
3.1 织构材料的纳米化机理
冷轧IF钢为体心立方金属，具有高层错能，通过透射电镜对不同深度组织的观察，能够将晶粒在外载荷条件下的细化过程总结为：大量的位错首先在粗晶内部产生，当达到一定的位错密度后，出现位错的重组、湮灭进而成为位错胞，如图3a～b。位错胞壁通过吸收位错逐渐成为亚晶界，这样就将原始的粗晶分割成取向差逐渐增大的亚微晶（图3c）。亚微晶会继续上述过程，并继续增大取向差，但晶粒尺寸减小，最终成为了取向呈随机分布、等轴状的纳米晶组织（图3d）。文献显示，无织构工业纯铁和本文的冷轧IF钢晶粒细化过程基本相同，纳米化方式并不受到织构的影响。
3.2 微观取向差与宏观织构的关系
通常的冷轧模式中，随着压下量增加均匀形变的板材织构组分也会发生变化。在表面机械研磨处理中，由于板材局部发生了较高频率的塑性变形，使得整个变形过程钢材料的织构强度逐渐下降至消失，不会出现织构组分转变问题。原因为：位错运动产生位错胞时无应变基体附近彼此间未产生织构变化，即取向差，如图2a和3a。当位错胞间出现的取向差角度很小时，部分位错胞没有按照原来的取向运动，导致了钢材料织构强度下降，如图2b和图3b。随着取向差的增加，亚微晶逐渐形成，由于{112}<110>取向晶粒的存在，使得圖2c和图3c中出现了不连续衍射环。在图2d和图3d中，由于纳米晶在钢材料表面的取向为完全随机分布，则织构组分基本消失。通过上述分析可知，表面机械研磨处理工艺中，晶粒细化过程可通过织构强度的下降速率反映出来。
3.3 织构的影响
如图5所示，虽然取向差逐渐增大和晶粒细化过程中每种织构组分强度都呈下降趋势，但它们具有不同的速率。对于织构来说，下降最快的为织构取向强度{100} <110>，其次为{112}<110>（图5a）。对于织构来说，织构取向强度{111}<110>和{111}<112>具有同样的下降速度，也就是说在同样轧面取向下，织构强度的下降速率并不受轧向影响（图5b）。由此看出，对于冷轧IF钢材料来说，较强的面织构对表面纳米化进程起到了推动作用。
4.结论
经过表面机械研磨处理后的IF钢材料板在成形性、延伸率以及强度三个方面均有所改善，这是因为，随着晶粒尺寸的减小，材料强度势必会增大，当纳米结构形成于材料表面后，产生了细晶强化效果。同时，表面机械研磨处理对材料具有硬化效果，导致了强度的增加。在图4中，经过表面机械研磨处理后，材料表面形成了晶粒尺寸沿深度方向连续变化的梯度结构，心部粗晶对裂纹扩展具有阻止效果，纳米结构表层有效了抑制了裂纹的生成，两者在压应力的作用下提高了钢材料的成形性和延伸性。综上所述，表面机械研磨处理技术不仅改善了IF钢材料的力学性能，同时也解决了韧性下降和纳米材料强度升高之间的矛盾，非常具有应用前景。
参考文献
[1] 王爱香，刘刚，周蕾，王科，杨晓华，李瑛. 表面机械研磨处理后316L不锈钢的表层结构及硬度的热稳定性[J].金属学报. 2005（06）.
[关键词]表面机械研磨 钢材料 纳米化
中图分类号：TD421 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0257-01
引言
金属材料经过表面机械研磨处理能够制造出晶粒尺寸沿深度方向连续变化的梯度结构，使得能够在一块金属样品上同时研究因形变而诱发的纳米化机理、宽度尺寸范围内组织与性能的关系。本文以典型丝织构冷轧IF钢板为研究对象，研究表面机械研磨处理的样品结构与织构沿深度方向的演变以及对其性能的影响。
1.实验方法
本文选用压下率为82%的IF钢板，化学质量分数为：N-0.002、Ti-0.06、Nb-0.005、AI-0.034、P-0.006、S-0.006、Mn-0.13、Si-0.016、C-0.0037，余量为Fe。将上述钢板切割成100mm*100mm的样块并进行表面机械研磨处理。处理工艺参数为：处理时间1h，振动频率50Hz，弹丸直径8mm。用光学显微镜观测经过表面机械研磨处理后的样品横截面，用透射电镜观测不同深度的样品微观组织。按照Schulz背反射法，利用织构测量仪测定表面机械研磨处理后的样品分层织构。采用辐射测量三张不完成的极图，{110}、{100}以及{211}。采用电子万能实验机对经过双面处理的样品进行拉伸试验，以分析样品性能。按照薄图1 煤化工过程带塑性和金属薄板应变比方法进行拉伸试验，试样原始标距为24mm，原始宽度为13.6mm，拉伸速度为4.8mm/min，至少选取3片试样进行拉伸。冲头速度为2.8mm/min，实验压紧力为9.8kN。
2.实验结果
经过表面机械研磨处理后样品的横截面金相组织如图1所示。由此可知，样品表面发生了变形层厚度为79～101的强烈塑性表型。从整体来看，变形量存在着少量的不均匀性，大部分沿深度方向逐渐减小。样品显微组织也呈现出和变形量相对应的梯度变化，由此说明，利用透射电镜观测不同深度组织可以揭示组织变化过程。
如图2所示，为表面机械研磨处理后样品表面不同深度的透射电镜像及对应选区电子衍射结果。图3为与图2相对应深度组织织构的分布函数计算结果。图4为经过表面机械研磨双面处理后样品的性能测试曲线。
3.实验结果分析
3.1 织构材料的纳米化机理
冷轧IF钢为体心立方金属，具有高层错能，通过透射电镜对不同深度组织的观察，能够将晶粒在外载荷条件下的细化过程总结为：大量的位错首先在粗晶内部产生，当达到一定的位错密度后，出现位错的重组、湮灭进而成为位错胞，如图3a～b。位错胞壁通过吸收位错逐渐成为亚晶界，这样就将原始的粗晶分割成取向差逐渐增大的亚微晶（图3c）。亚微晶会继续上述过程，并继续增大取向差，但晶粒尺寸减小，最终成为了取向呈随机分布、等轴状的纳米晶组织（图3d）。文献显示，无织构工业纯铁和本文的冷轧IF钢晶粒细化过程基本相同，纳米化方式并不受到织构的影响。
3.2 微观取向差与宏观织构的关系
通常的冷轧模式中，随着压下量增加均匀形变的板材织构组分也会发生变化。在表面机械研磨处理中，由于板材局部发生了较高频率的塑性变形，使得整个变形过程钢材料的织构强度逐渐下降至消失，不会出现织构组分转变问题。原因为：位错运动产生位错胞时无应变基体附近彼此间未产生织构变化，即取向差，如图2a和3a。当位错胞间出现的取向差角度很小时，部分位错胞没有按照原来的取向运动，导致了钢材料织构强度下降，如图2b和图3b。随着取向差的增加，亚微晶逐渐形成，由于{112}<110>取向晶粒的存在，使得圖2c和图3c中出现了不连续衍射环。在图2d和图3d中，由于纳米晶在钢材料表面的取向为完全随机分布，则织构组分基本消失。通过上述分析可知，表面机械研磨处理工艺中，晶粒细化过程可通过织构强度的下降速率反映出来。
3.3 织构的影响
如图5所示，虽然取向差逐渐增大和晶粒细化过程中每种织构组分强度都呈下降趋势，但它们具有不同的速率。对于织构来说，下降最快的为织构取向强度{100} <110>，其次为{112}<110>（图5a）。对于织构来说，织构取向强度{111}<110>和{111}<112>具有同样的下降速度，也就是说在同样轧面取向下，织构强度的下降速率并不受轧向影响（图5b）。由此看出，对于冷轧IF钢材料来说，较强的面织构对表面纳米化进程起到了推动作用。
4.结论
经过表面机械研磨处理后的IF钢材料板在成形性、延伸率以及强度三个方面均有所改善，这是因为，随着晶粒尺寸的减小，材料强度势必会增大，当纳米结构形成于材料表面后，产生了细晶强化效果。同时，表面机械研磨处理对材料具有硬化效果，导致了强度的增加。在图4中，经过表面机械研磨处理后，材料表面形成了晶粒尺寸沿深度方向连续变化的梯度结构，心部粗晶对裂纹扩展具有阻止效果，纳米结构表层有效了抑制了裂纹的生成，两者在压应力的作用下提高了钢材料的成形性和延伸性。综上所述，表面机械研磨处理技术不仅改善了IF钢材料的力学性能，同时也解决了韧性下降和纳米材料强度升高之间的矛盾，非常具有应用前景。
参考文献
[1] 王爱香，刘刚，周蕾，王科，杨晓华，李瑛. 表面机械研磨处理后316L不锈钢的表层结构及硬度的热稳定性[J].金属学报. 2005（06）.