激光沖擊不銹鋼抗腐蝕性能及微觀強(qiáng)化機(jī)理研究.pdf

1、激光沖擊強(qiáng)化是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，具有高壓、高能、超快和超高應(yīng)變率等特點(diǎn)，具有常規(guī)加工方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。盡管激光沖擊強(qiáng)化金屬構(gòu)件能夠顯著提高機(jī)械性能疲勞壽命，然而目前對(duì)于低層錯(cuò)能金屬表層激光沖擊細(xì)化晶粒的微觀結(jié)構(gòu)演變、性能結(jié)構(gòu)關(guān)系以及抗應(yīng)力腐蝕作用機(jī)理尚缺乏系統(tǒng)的研究，仍然缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和深入的理解。
　　 本文以ANSI304不銹鋼為研究對(duì)象，對(duì)激光沖擊強(qiáng)化不銹鋼表面完整性、微觀結(jié)構(gòu)演變和晶粒細(xì)化

2、機(jī)制、抗應(yīng)力腐蝕性能以及激光復(fù)合處理工藝進(jìn)行了若干基礎(chǔ)研究和探索，獲得了以下主要結(jié)論和創(chuàng)新性成果:
　　 (1)系統(tǒng)研究了多次激光沖擊誘導(dǎo)ANSI304不銹鋼塑性變形層不同區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)，獲得了深度方向激光沖擊誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，首次深入系統(tǒng)地揭示了以多方向機(jī)械孿晶細(xì)化表層原始粗晶為主的激光沖擊強(qiáng)化低層錯(cuò)能金屬晶粒細(xì)化機(jī)制和微觀強(qiáng)化機(jī)理:
　　 單次激光沖擊ANSI304不銹鋼在表面形成厚度約為900μm的塑性變

3、形層，并且隨著離沖擊表面距離越遠(yuǎn)，晶粒大小逐漸增大，細(xì)化原始晶粒是以片狀機(jī)械孿晶為主要形式;多次激光沖擊使奧氏體不銹鋼塑性變形層的晶粒明顯細(xì)化，在激光沖擊ANSI304不銹鋼的上表面，晶粒尺寸約為100-200nm。在觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，多次激光沖擊ANSI304不銹鋼微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律和晶粒細(xì)化機(jī)制為:(i)高密度的機(jī)械攣晶將原始粗晶細(xì)分為層片狀攣晶/基體片;(ii)多次沖擊能夠形成不同方向的機(jī)械攣晶將粗晶細(xì)化為斜方形、三角形形狀的結(jié)

4、構(gòu)，最小可以觀察到亞微米量級(jí);(iii)具有取向差結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)再結(jié)晶演變成細(xì)化的晶粒。研究成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊ActaMaterialia(2010，58(16):5354-5362)上，評(píng)審專(zhuān)家認(rèn)為:“Combinedwithpriorreportingoftheworkonhigh-stackingfaultenergyFCCaluminum,theworkonlowstackingfaultenergystainlesssteelm

5、akesthisanimportantcollectionthatwillbewidelyused(……形成一個(gè)完整的面心立方金屬激光沖擊晶粒細(xì)化的微觀強(qiáng)化機(jī)理)”，該部分研究成果在國(guó)際上產(chǎn)生良好的影響。
　　 (2)設(shè)計(jì)了不同晶粒尺寸和殘余應(yīng)力狀態(tài)的三種不同U型彎曲試樣，測(cè)試和表征了143±1℃42％MgCl2溶液條件下腐蝕裂紋萌生時(shí)間、裂紋形貌、殘余應(yīng)力以及微觀結(jié)構(gòu)，獲得了殘余壓應(yīng)力和晶粒細(xì)化共同作用的激光沖擊不銹鋼抗應(yīng)力腐

6、蝕的作用機(jī)制:
　　 三種不同U型彎曲試樣在143±1℃42％MgCl2溶液內(nèi)應(yīng)力腐蝕裂紋萌生時(shí)間、裂紋形貌、殘余應(yīng)力以及微觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果表明:大面積搭接激光沖擊能夠誘導(dǎo)高幅殘余壓應(yīng)力并且細(xì)化ANSI304不銹鋼表層晶粒，未處理U型試樣的開(kāi)裂時(shí)間約為16小時(shí)，先沖后彎U型試樣的開(kāi)裂時(shí)間約為110小時(shí)，而先彎后沖試樣300小時(shí)浸泡都未出現(xiàn)腐蝕裂紋，晶粒細(xì)化和殘余應(yīng)力是提高ANSI304奧氏體抗腐蝕能力的兩大主要因素，其中殘余壓應(yīng)

7、力占主導(dǎo)作用，晶粒細(xì)化也是抑制應(yīng)力裂紋萌生和擴(kuò)展的主要因素。研究成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊CorrosionScience(2012，60:145-152)上，評(píng)審專(zhuān)家認(rèn)為:“TheeffectoflasershockpeeningonmitigationofSCCbyinducingcompressivestressandrefinedgrainsisveryinteresting.Thissubmissioniswellwrittena

8、ndofhighquality.（激光沖擊導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕裂紋延緩和減輕是非常有趣的，論文具有高質(zhì)量…）”。
　　 (3)實(shí)驗(yàn)研究了激光沖擊對(duì)ANSI304不銹鋼表面微觀形貌、納米硬度、彈性模量、殘余應(yīng)力和摩擦磨損性能的影響，研究結(jié)果表明激光沖擊不銹鋼不能明顯誘導(dǎo)馬氏體相變，獲得了單次激光沖擊ANSI304不銹鋼表面殘余應(yīng)力變化和深度方向的分布規(guī)律以及激光沖擊ANSI304不銹鋼的復(fù)合結(jié)構(gòu)特征，并揭示了復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理:

9、　　 多次激光沖擊ANSI304不銹鋼不能誘導(dǎo)馬氏體相變，其主要原因是因?yàn)榧す鉀_擊強(qiáng)化不銹鋼過(guò)程不涉及熱效應(yīng)過(guò)程;激光沖擊并沒(méi)有提高ANSI304不銹鋼的磨損性能和降低摩擦系數(shù)，相反在某些條件下激光沖擊ANSI304不銹鋼反而降低了不銹鋼表面的磨損性能和增加了摩擦系數(shù)的不穩(wěn)定性。系統(tǒng)研究了多次激光沖擊對(duì)ANSI304不銹鋼表面微觀幾何特征的影響，激光沖擊明顯增大表面波紋度，并造成波紋度尺度的雙向加工紋理，紋理方向?yàn)轫槾罱臃较颍诶^承前

10、一工藝的小微觀尺度結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，疊加并形成新的大微觀尺度結(jié)構(gòu)的復(fù)合結(jié)構(gòu)特征，并揭示了激光沖擊ANSI304不銹鋼表面復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。研究成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊MaterialsScienceandEngineering:A(2011,528(13-14):4783-4788)上。
　　 (4)研究和分析了激光熱力復(fù)合處理ANSI304不銹鋼的宏觀性能和斷口形貌，探索激光熱力復(fù)合處理工藝規(guī)律，揭示了多次激光沖擊不銹鋼焊接件

11、的韌窩形成過(guò)程，這將開(kāi)辟結(jié)構(gòu)金屬的激光熱力復(fù)合再制造理論和技術(shù)的研究:
　　 多次激光沖擊強(qiáng)化將ANSI304不銹鋼焊接接頭的屈服強(qiáng)度提高21.79％，延伸率增長(zhǎng)5.48％，其主要原因可能是激光沖擊導(dǎo)致焊接接頭的斷裂面更明亮、無(wú)分層，韌窩分布更均勻;多次激光沖擊不銹鋼焊接件的韌窩形成過(guò)程為:(i)微空洞成核;(ii)受外力作用微空洞生長(zhǎng);(iii)微空洞連接;(iv)在外在強(qiáng)載荷作用下的韌性斷裂形成韌窩。采用激光雕刻和激光沖擊復(fù)