辐照强化

辐照强化是指由于金属在强射线条件下产生空位或填隙原子，这时缺陷阻碍位错运动，从而产生强化效应。

辐照强化概念

辐照强化是指辐照表面发生的细晶强化、加工硬化和相变强化过程。

利用激光辐照对结构件进行处理，以提高结构的耐磨性、抗腐蚀性、抗疲劳断裂能力。对低碳钢、高碳钢的研究表明：激光淬火对小裂纹确实有效，能使含小裂纹的试件的疲劳寿命恢复至无裂纹试件的水平，且使无裂纹试件的疲劳强度和寿命也能明显地提高。激光淬火后裂纹仍然处于开裂状态，如果采用激光熔焊处理，可使小裂纹完全消除，大尺寸裂纹即不能完全焊合，也会使裂纹减小及钝化，对提高抗疲劳断裂能力仍非常有效。通过光导纤维将激光束弓l导到现场，不用拆卸有裂纹构件，凡能照射到的地方都可以进行辐照处理，排除隐患确保安全，如果是非外露裂纹，必须拆卸后处理，这对外场维护和修理非常适用。

激光用于对材料的辐照处理，能使其微观组织改变、晶粒细化、第二相等物质分布均匀、位错密度增加、延缓位错胞形成及降低位错胞尺寸变化速率、生成表面残余压应力从而使合金强化，不但适用于有相变的金属，也适用于无相变的金属。辐照强化效果和许多因素有关，除了材料和构件的化学成分、构件的儿何形状和尺寸、辐照的方式、工作介质、表面状态及涂层等因素外，主要与功率密度和辐照时间(或扫描速度)有关，这就是材料和构件的辐照参量筛选要完成的任务。

辐照强化过程

为了说明辐照强化的物理实质，必须了解在形变过程中位错的产生、分布和运动与流变强度的关系。阶段Ⅰ的强化可以认为是通过形成位错偶使大量位错受到羁绊而阻滞，但是偶中正负号位错的长程应力场在很大程度上互相抵销，因而位错偶只提供很小的阻止位错运动的应力场，导致阶段Ⅰ的强化效应微弱。阶段Ⅱ的强化模型很多，如位错塞积群长程应力强化模型(1952)，位错林强化模型(1959)，位错割阶强化模型(1960)，网眼长度强化模型(1962)，流变应力统计强化模型(1966)以及高位错密度区强化模型(1967)等等，每一种模型都解释一部分实验现象，但也存在不少问题。其中以西格(A.See-ger)根据莫特(F.Mott)所提出的位错塞积群长程应力强化模型比较经典，可得出流变强度与位错密度的线性关系式，同时推算的结果和实验结果也比较符合。形变强化的第Ⅲ阶段应力-应变曲线呈抛物线形，亦即强化效应逐渐下降，这是因为在高形变量下出现大量交滑移及异号位错兼并的缘故。由于应力的提高，有些位错可能绕过障碍前进，这些都减少强化效应。也就是说，在阶段Ⅲ有动态回复出现。在多晶金属的加工硬化过程中，阶段Ⅱ强化起决定性作用。为了保持多晶体塑性变性的连续性和协调性，每个晶粒发生变形时，必须有五个以上的滑移系统同时开动；所以，在多晶体里实际上不存在象单晶那样的阶段Ⅰ单系滑移和强化。

总之，形变强化决定于位错运动受阻，因而强化效应与位错类型、数目、分布、固溶体的晶型、合金化情况、晶粒度和取向及沉淀颗粒大小、数量和分布等有关。温度和受力状态有时也是决定性的因素。

一般来说，退火单晶的位错密度为106cm，变形量很大的金属可在1012cm以上。层错能低的金属比层错能高的金属加工硬化更为显著。细晶粒、有淀淀相、高速形变和低温形变都表现出较高的形变强化效应。

沉淀强化与弥散强化过饱和固溶体随温度下降或在长时间保温过程中（时效）发生脱溶分解。时效过程往往是很复杂的，如铝合金在时效过程中先产生GP区，继而析出过渡相（θ"及θ'）,最后形成热力学稳定的平衡相(θ)。细小的沉淀物分散于基体之中,阻碍着位错运动而产生强化作用，这就是“沉淀强化”或“时效强化”。为了提高金属，特别是粉末冶金材料的强度，往往人为地加入一些坚硬的细质点，弥散于基体中，称为弥散强化。从弥散质点引起强化这一点来说，沉淀强化与弥散强化并没有大区别。但是,前一情况是内生的沉淀相,后一情况为外加质点；而且，在时效前期，沉淀相和基体之间往往保持共格或半共格关系，在每个细小沉淀物附近存在着一个较大范围的应力场，与位错发生交互作用，产生十分显著的强化作用。如果时效温度提高或时间延长，则出现非共格产物，强化效应下降，以致于合金强度降低，称为“过时效”；最后产生平衡相。因为沉淀引起合金元素的贫化，此时合金材料的强度甚至低于固溶体状态。弥散强化时，外加的质点在高温使用过程中也会聚集、长大以减少颗粒的表面能，同样会引起软化。

辐照强化金属材料表面强流脉冲离子束辐照强化

具有超高温、超高压和强磁场等特性的强流脉冲离子束(HIPIB)辐照各种工程材料，可在瞬间(脉冲宽度<1μs)实现材料表面(典型的离子射程小于<10μm)高能量密度(1～100J·cm)沉积，导致表面温度急剧升高(达1010K·s)，发生熔融、蒸发和烧蚀，随后急速冷却(109K·s)形成严重的非平衡结构。HIPIB与材料表面相互作用产生极大的热效应和力学效应，使材料表面的成分、组织及性能发生显著变化。国外HIPIB辐照材料表面工程研究主要集中在美、俄、日、德等国，国内北京大学、大连理工大学等单位也相继开展了相关的研究工作。综合国内外HIPIB研究的进展情况，比较成熟的工作集中在金属材料耐磨损、耐腐蚀表面改性方面。本文结合大连理工大学TEMP型HIPIB装置总结HIPIB辐照金属材料耐磨损、耐腐蚀研究结果，介绍了HIPIB这种新的材料表面工程技术，同时讨论HIPIB辐照金属材料表面改性机理，为进一步拓展HIPIB的应用领域创造条件。

辐照强化HIPIB装置及其工作原理

图1为TEMP-6型HIPIB装置示意图。该装置主要包括Marx脉冲发生器(装有反转、输出气体开关和充电电感的双层脉冲形成线(PFL))、电阻分压器(用于参数测量和控制的Rogowski线圈)、磁场绝缘离子二极管(MID)、工作室和试样台及真空机组等7个主要部分。TEMP系列HIPIB装置的特点是可以采用两种不同的工作模式工作：一种是基于聚合物阳极表面闪络和电子轰击效应，通过一个高压正脉冲产生阳极等离子体并引出离子来，即所谓单极脉冲工作模式；另一种是基于爆炸电子发射效应，通过一个高压负脉冲产生阳极等离子体，再由一个高压正脉冲引出离子束，即所谓双极脉冲工作模式。用于产生脉冲高压的Marx发生器中有7个并联电容，先由一个直流电源(最大输出电压为60kV)充电，然后触发器控制点火，形成电容串联对PFL进行充电，利用PFL上气体开关先后自击穿启动，产生的微秒级高压脉冲直接施加在PFL的中间电极上，在PFL中压缩成纳秒级高压脉冲传输到MID，形成阳极等离子体并引出离子束。PFL中充满去离子水实现绝缘，通过改变气体开关气体压力调节PFL及MID的高压脉冲波形，以获得需要的工作参数。该装置的离子束成分为C和H。典型的工作参数为:离子能量250～400keV，束流密度40～350A·cm，脉冲宽度70ns，能量密度1～10J·cm，束斑尺寸10～100cm。根据不同材料工程表面性能的要求选择脉冲辐照1～10次。

辐照强化HIPIB辐照后金属材料的耐磨性

以不同的工艺参数进行HIPIB辐照后，钢的显微硬度与耐磨性试验结果见表1。不同类型的钢经HIPIB辐射后显微硬度和耐磨性均有提高。HIPIB辐照工艺参数不同，各种钢的硬化效果存在差异，甚至会发生负作用，其中束流密度和辐照次数对于钢的显微硬度和耐磨性影响较大。为了使HIPIB辐照钢的耐磨性有效提高，合理选择工艺条件非常重要。由于HIPIB辐照后，金属材料表面形貌发生明显变化，以烧蚀坑为主要特征的改性表面粗糙度精度直接影响其摩擦磨损性能。粗糙的AISI4620结构钢的辐照表面尽管粘着磨损和磨料磨损性能获得改善，但是其表面的摩擦系数增大。研究结果证明，选择合适的辐照工艺参数能够获得高粗糙度精度的工程表面，从而保证金属材料摩擦系数的降低和耐磨性的改善。

由于HIPIB的超高温、超高压和强磁场等特性，与材料相互作用是在一个极短时间内的高能量传输过程，其作用机理非常复杂。因而HIPIB辐照材料表面的强硬化机制还不很清楚。考虑该过程存在着极大的热效应和力学效应，一方面导致材料表层急剧加热和冷却。由于熔融液体的空位形成能远小于固体，因此在随后急速冷却凝固中表面保留了大量空位，高浓度空位聚集崩塌可形成很多位错环，位错由原始材料中的随机分布转变成辐照后复杂的缠结分布，加之空位等缺陷的不断偏聚，使位错滑移能力减弱。材料近表层发生复杂的成分和组织变化。Akamatsu等通过HIPIB辐照(离子能量160keV，束流密度500A.cm，脉冲宽度65ns)SKH51高速工具钢发现，原始平均晶粒尺寸为7μm，1次辐照后变成240nm，10次辐照后变成40nm，晶粒尺寸减少到原始材料的1/170。快速冷却的大过冷度，致使结晶形核速率非常高，而极短的冷却时间又使晶粒来不及长大，造成晶粒尺寸显著细化，甚至可以发生非晶化，产生显著的细晶强化作用。在快速冷却过程中，表层材料在应力的作用下极易产生晶格畸变，形成非平衡相(如形变奥氏体)，使加工硬化作用表面化。由于辐照表面强烈的非平衡转变过程，一些金属材料同时伴随着包括马氏体转变的相变强化作用，而且部分原始相来不及转变成新相而保留下来(如残留奥氏体)，降低了材料的硬度。需要指出的是，HIPIB与金属材料相互作用的细晶强化、加工硬化和相变强化等机制并不是单独存在，而是协同发生，尽管相应机制有待进一步探明，但是对于不同组织的金属材料某一机制起主导作用，总体上表现为材料硬度提高，耐磨性改善。另一方面HIPIB辐照产生极大热效应的同时，剧烈蒸发和喷射的表面层产生很大的反冲动量，形成由表及里传播的冲击波，导致远大于离子射程深度内同样发生明显的强硬化效果，即所谓长程作用效应，强化机制主要是加工硬化。显然离子束的能量密度越大，冲击波强度相应提高，强化效果更显著。图2给出了P6M5高速工具钢经HIPIB辐照后磨损速率-深度的分布曲线。由图2可见，在两种离子能量密度下，钢的磨损速率较原始材料均减小，并且在50～70μm处出现极小值，耐磨性最高，而且较高的能量密度辐照，耐磨性进一步提高。

辐照强化研究结论

HIPIB技术作为一种新型的表面改性技术，以其特有的高能量密度，极短的作用时间，较大的辐照面积，以及高能量转换效率，用于不同的金属材料表面改性，获得了表面硬度提高，耐磨性和耐蚀性的有效改善。HIPIB的瞬间高能量密度沉积导致金属表面快速加热冷却，产生显著的热-力学效应。辐照表面发生的细晶强化、加工硬化和相变强化，使金属材料在较大的深度范围(约100μm)内硬度提高，耐磨性改善；同时，辐照表面金属的成分得到纯净化，组织结构得到均匀化，有利于金属材料耐蚀性提高。HIPIB技术在材料表面工程领域具有很广泛的应用前景。