40Cr鋼表面納米化組織性能及其納米化機(jī)制.pdf

1、納米晶體材料由于晶粒細(xì)小，界面密度高，具有獨(dú)特的力學(xué)及物理化學(xué)性能，因而得到普遍重視和廣泛深入的研究。其中塊體金屬納米材料的研究已成為研究熱點(diǎn)之一?，F(xiàn)有的多種金屬納米材料制備方法由于各自的局限性而難以制備用作工程金屬結(jié)構(gòu)材料的大尺寸塊體納米金屬，從而限制了納米材料在工業(yè)上的實(shí)際應(yīng)用。而在傳統(tǒng)工程金屬結(jié)構(gòu)材料表面制備出一層具有納米晶體結(jié)構(gòu)表面層的表面納米化處理技術(shù)，利用納米金屬材料的優(yōu)異性能對(duì)傳統(tǒng)工程金屬結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行表面改性，進(jìn)

2、而提高材料的綜合力學(xué)性能。不僅突破了現(xiàn)有塊體金屬納米材料制備方法的局限性，也易于實(shí)現(xiàn)并有望取得實(shí)際應(yīng)用。目前有關(guān)金屬材料表面納米化的研究已涉及了純鐵、低碳鋼、奧氏體不銹鋼、有色合金(銅、鋁及其合金)等不同金屬。其中有關(guān)鋼鐵的研究都集中在單相鐵素體或奧氏體的研究，沒有涉及到第二相(如滲碳體)研究的相關(guān)報(bào)道。滲碳體作為組織中一種重要的組成相，它的數(shù)量、形狀、分布對(duì)鋼鐵的性能有極大影響。因而有關(guān)鐵素體納米化、滲碳體納米化以及鐵素體納

3、米化和滲碳體納米化的交互作用的研究在工業(yè)上具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文主要研究中碳低合金鋼(包括鐵素體和第二相滲碳體)表面納米化組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并探討了表面納米化機(jī)制。本論文采用超音速高能表面處理技術(shù)(USHPSP)分別在退火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼表面制備出納米晶體結(jié)構(gòu)的表面層，成功地在退火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼上實(shí)現(xiàn)了表面納米化。采用X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡和穆斯堡爾譜分析了USHPSP處理試樣的組織結(jié)構(gòu)，利

4、用顯微硬度和納米壓痕技術(shù)研究了表面納米層的力學(xué)性能。探討了USHPSP處理退火態(tài)和調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼中基體相鐵素體的納米化機(jī)制、第二相滲碳體的納米化機(jī)制、鐵素體納米化和滲碳體納米化的交互作用及其對(duì)表面納米化的影響。USHPSP處理退火態(tài)40Cr鋼和調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼表面形成納米晶體結(jié)構(gòu)的表面層。從表面沿深度方向上分為納米層、過渡區(qū)和基體。兩者的表面納米層都是由滲碳體納米晶和鐵素體納米晶組成，SAED圖為滲碳體和bcc結(jié)構(gòu)鐵素體的衍

5、射環(huán)。而且調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼納米層最表面處的SAED圖為bcc結(jié)構(gòu)鐵素體的衍射環(huán)。滲碳體發(fā)生溶解，納米晶幾乎全是鐵素體納米晶。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，USHPSP處理調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼試樣表面納米層的硬度高達(dá)8.0 GPa，為表面納米化前試樣硬度的三倍。沿深度方向上從表面到基體硬度逐漸減少。USHPSP處理退火態(tài)40Cr鋼中層片狀滲碳體的納米化機(jī)制是變形、斷裂、碎化機(jī)制。高速運(yùn)動(dòng)的微粒與試樣轟擊碰撞使試樣表面發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，鐵素體

6、在外力作用下發(fā)生塑性變形，由于鐵素體和滲碳體變形能力不同，在鐵素體和滲碳體界面處產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)力集中。另外鐵素體晶粒內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻于滲碳體層片，位錯(cuò)塞積在鐵素體和滲碳體界面處也產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)力集中。應(yīng)力增大，滲碳體層片發(fā)生彎曲變形，當(dāng)應(yīng)力超過珠光體的斷裂強(qiáng)度時(shí)，滲碳體層片斷裂，進(jìn)而碎化為納米晶。USHPSP處理調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼中粒狀滲碳體的納米化機(jī)制為碎化機(jī)制。微粒的轟擊碰撞使試樣表面發(fā)生塑性變形。與層片狀滲碳體相似，由于鐵素

7、體和滲碳體變形能力不同，鐵素體晶粒內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻于滲碳體顆粒而在鐵素體和滲碳體界面處產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，以及應(yīng)力通過鐵素體傳遞給相鄰的粒狀滲碳體，這三個(gè)方面導(dǎo)致鐵素體和滲碳體界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著應(yīng)力的增大，粒狀滲碳體晶粒破碎并形成納米晶。而且滲碳體先于單相鐵素體形成納米晶。由于碳原子與位錯(cuò)的結(jié)合能大于滲碳體中碳原子與鐵原子的結(jié)合能，鐵素體和滲碳體界面處位錯(cuò)與滲碳體中碳原子結(jié)合導(dǎo)致部分滲碳體發(fā)生溶解，納米層為滲碳體納米晶和鐵素體

8、納米晶，而納米層最表面處只有鐵素體納米晶。層片狀滲碳體和粒狀滲碳體的納米化機(jī)制相比較，層片狀滲碳體發(fā)生變形和斷裂形成顆粒狀滲碳體，而粒狀滲碳體沒有此過程。由于粒狀滲碳體分散在鐵素體內(nèi)，而不是將鐵素體隔開，因而USHPSP處理調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼中應(yīng)力導(dǎo)致鐵素體塑性變形程度更大，位錯(cuò)密度更高。而且調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼中鐵素體和滲碳體界面處位錯(cuò)與滲碳體中碳原子結(jié)合使?jié)B碳體溶解，在變形最顯著的納米層最表面處納米晶只有鐵素體納米晶。USHP

9、SP處理退火態(tài)40Cr鋼和調(diào)質(zhì)態(tài)40Cr鋼中鐵素體的納米化機(jī)制都是位錯(cuò)機(jī)制。由于微粒與試樣的轟擊碰撞使鐵素體晶粒內(nèi)部產(chǎn)生位錯(cuò)，發(fā)生塑性變形。重復(fù)的轟擊碰撞使位錯(cuò)增殖、運(yùn)動(dòng)，形成位錯(cuò)胞，進(jìn)而形成亞晶粒，最終形成鐵素體納米晶。但是由于第二相滲碳體的存在，鐵素體中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)受到滲碳體的強(qiáng)烈阻礙作用。不同形態(tài)(層片狀、顆粒狀)滲碳體對(duì)鐵素體納米化的影響不同。USHPSP處理退火態(tài)40Cr鋼初期，由于層片狀珠光體中滲碳體層片將鐵素體隔開

10、，鐵素體的塑性變形被限制在滲碳體層片之間的區(qū)域范圍內(nèi)，因此鐵素體的塑性變形程度小。由于鐵素體和滲碳體變形能力不同，在鐵素體和滲碳體界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)鐵素體內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到滲碳體層片而受阻，在鐵素體和滲碳體界面處位錯(cuò)塞積產(chǎn)生應(yīng)力集中。隨著USHPSP處理的繼續(xù)，應(yīng)力集中不斷增大，滲碳體層片變形、斷裂成為滲碳體顆粒。此時(shí)轟擊碰撞導(dǎo)致鐵素體產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，同時(shí)鄰近鐵素體之間應(yīng)力傳遞變的容易使鐵素體內(nèi)位錯(cuò)密度增大。粒狀滲碳體對(duì)位