鐵基合金表面納米化過(guò)程及相關(guān)金屬學(xué)問(wèn)題研究.pdf

1、隨著納米材料研究的不斷深入與納米技術(shù)的發(fā)展，將表面改性與納米材料相結(jié)合來(lái)制備納米晶塊體材料受到了人們的重視，其特點(diǎn)是通過(guò)提高材料表面性能來(lái)提高構(gòu)件服役性能。表面納米化技術(shù)被認(rèn)為是今后一段時(shí)間可將納米材料應(yīng)用于工程實(shí)際的最重要技術(shù)之一。目前，通過(guò)表面機(jī)械研磨技術(shù)(surface mechanical attrition treatment，SMAT)，在許多金屬材料表面己成功制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實(shí)現(xiàn)了表面納米化。但是目前對(duì)于S

2、MAT法實(shí)現(xiàn)金屬材料表層納米結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程、微觀組織演變、性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究仍然不夠系統(tǒng)，還有許多基本問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。因此深入系統(tǒng)地研究該方法中的納米晶粒形成機(jī)制和應(yīng)用具有十分重要的意義。
　　 本論文對(duì)低碳鋼SMAT過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了低碳鋼SMAT時(shí)表面層的應(yīng)變、應(yīng)變速率及應(yīng)力，探討了SMAT時(shí)應(yīng)變速率對(duì)低碳鋼形變機(jī)制和晶粒細(xì)化機(jī)理的影響。針對(duì)機(jī)械研磨表面時(shí)發(fā)現(xiàn)的反直觀行為(永久變形可能在脈沖的反方向)，通過(guò)模擬

3、計(jì)算研究了實(shí)驗(yàn)條件下反直觀現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，討論了板厚，撞擊頻率和研磨時(shí)間等對(duì)該現(xiàn)象的影響。
　　 通過(guò)SMAT在純鐵和Q235低碳鋼表面制備出了一層厚度約為40μm的全致密、無(wú)污染的納米晶組織。運(yùn)用金相顯微鏡(OM)、X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)等分析測(cè)試技術(shù)對(duì)SMAT后純鐵和低碳鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。
　　 通過(guò)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、硬度和摩擦磨損測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)純鐵和Q235低碳鋼表面制備出的納米晶

4、材料的性能進(jìn)行了討論研究。對(duì)表面納米化處理前后的純鐵和低碳鋼在金屬蒸氣弧源離子注入機(jī)上進(jìn)行了Ti離子注入，運(yùn)用俄歇電子能譜儀分析了離子注入后Ti沿試樣表面的深度分布，研究了表面納米化預(yù)處理對(duì)純鐵和低碳鋼離子注入的影響。
　　 機(jī)械研磨純鐵時(shí)添加鎳粉，在純鐵表面獲得一層鐵鎳合金層，經(jīng)過(guò)不同溫度的熱處理讓合金過(guò)程進(jìn)行得更完全，分析表征了合金層的組織結(jié)構(gòu)和耐蝕性，初步探討了鐵和鎳的擴(kuò)散以及鐵鎳混合層的合金化過(guò)程。研究了采用不同粉體制備

5、的表面合金層的摩擦磨損性能，探討表面合金層的摩損機(jī)制。
　　 得到的主要結(jié)論：
　　 1、SMAT試樣表面層的應(yīng)變、應(yīng)變速率和應(yīng)力沿深度方向呈梯度變化，最表面20μm層的應(yīng)變速率最大可達(dá)681 s-1。SMAT試樣表面層的變形過(guò)程主要經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段：彈塑性變形階段和動(dòng)態(tài)回復(fù)階段。塑性變形時(shí)的應(yīng)變量和應(yīng)變速率對(duì)于試樣晶粒細(xì)化和處理后最終晶粒尺寸的大小起重要的作用。
　　 2、數(shù)值分析證實(shí)了實(shí)驗(yàn)中得到的試板的永久變形在

6、脈沖反方向的異常響應(yīng)模式(反直觀現(xiàn)象)的理論依據(jù)，它是材料非線性與幾何非線性耦合的結(jié)果。反直觀行為對(duì)各種參數(shù)極其敏感，載荷作用的方式對(duì)于動(dòng)力反直觀行為有較大影響。在本實(shí)驗(yàn)的高頻沖擊載荷作用下，作用時(shí)間的增加將使板獲得的初始動(dòng)能增加，此時(shí)只需要較小的外加載荷就能使試板達(dá)到一定的變形程度且獲得足夠的能量，同時(shí)可使得發(fā)生反直觀行為的載荷值的范圍擴(kuò)大，因此在本文的高頻沖擊實(shí)驗(yàn)載荷條件下更容易出現(xiàn)反直觀現(xiàn)象。
　　 3、SMAT后試樣表層

7、形成約40μm厚的等軸、取向隨機(jī)的納米晶組織，純鐵的平均晶粒尺寸約為15nm，低碳鋼的約為30nm。距離試樣表面深度的增加材料變形呈梯度變化，微觀組織依次可以分為：納米晶層，亞微米晶層、過(guò)渡層和基體。
　　 4、SMAT后試樣表面層的顯微硬度顯著提高，并且隨著深度的增大顯微硬度值逐漸減小，表面納米層的顯微硬度約為心部基體硬度的兩倍，表面硬度的增大可歸因于晶粒細(xì)化和加工硬化的協(xié)同作用。
　　 5、SMAT后純鐵的耐蝕性降低

8、而Q235低碳鋼的略有提高。純鐵耐腐蝕性降低主要是由于純鐵硬度小，SMAT使最表層的納米晶較小(～15nm)，表面形成的納米晶結(jié)構(gòu)中存在有大量的微裂紋，試樣的表面不平整度很高，這些均導(dǎo)致了表面納米化后純鐵抗腐蝕能力下降。由于低碳鋼本身硬度較高，變形抗力較大，SMAT后納米晶粒的尺寸相對(duì)較大(～30nm)，且塑性變形相對(duì)要小，表面經(jīng)歷了一定厚度的軋制，且表面微裂紋少，粗糙度相對(duì)純鐵試樣要低，因此耐腐蝕的能力提高。
　　 6、SMA

9、T使純鐵試樣整體抗拉強(qiáng)度明顯增大，彈性模量(斜率)減小，伸長(zhǎng)率下降。而試樣再次經(jīng)過(guò)短時(shí)的低溫退火處理后，彈性模量有所提高,原因可能是殘余應(yīng)力和缺陷的減少?？估瓘?qiáng)度提高的主要原因是SMAT使純鐵表面層晶粒的細(xì)化；晶粒細(xì)化的同時(shí)表面一定厚度經(jīng)歷了軋制，表面存在殘余壓應(yīng)力，有效阻礙裂紋的形成；表層的納米晶層對(duì)基體約束，能有效阻礙基體中滑移帶的發(fā)展，阻止基體材料的硬化，從而有效提升了材料整體的抗拉強(qiáng)度。
　　 7、Ti注入純鐵和Q235

10、鋼后，注入元素濃度在經(jīng)過(guò)表面納米化處理的試樣中比未經(jīng)處理的有了很大的提高，主要原因是SMAT所產(chǎn)生的空位、晶界及位錯(cuò)等缺陷與注入元素發(fā)生交互作用，導(dǎo)致了注入元素固溶度的超額增加； SMAT提高了試樣表面層的擴(kuò)散能力也使得SMAT后試樣注入元素的濃度提高。離子注入的深度變化不大。
　　 8、表面納米化提高了純鐵和低碳鋼在中等載荷作用下的耐磨性，明顯地降低了摩擦系數(shù)。表面納米化有助于減弱純鐵和低碳鋼表面的疲勞磨損效應(yīng)。
　　

11、 9、SMAT純鐵時(shí)在試樣罐中添加鎳粉，經(jīng)過(guò)100min的處理，鎳粉均勻鑲嵌在純鐵基體上,并形成約100μm厚的鐵鎳合金層，界面微觀研究表明表面機(jī)械研磨時(shí)存在顯著的原子擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)了金屬表面合金化，適當(dāng)?shù)臒崽幚碓鰪?qiáng)合金化程度，是一種新的金屬表面合金化方法。
　　 10、純鐵表面納米合金化有助于提高材料在中等載荷下的耐磨性，摩擦系數(shù)較表面納米層的低。在相同載荷下，加入二氧化鋯粉體的表面合金層最耐磨，加入碳化鎢、碳粉及鎳粉的合金表面的