鐵基合金表面納米化過程及相關(guān)金屬學問題研究.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)合來制備納米晶塊體材料受到了人們的重視，其特點是通過提高材料表面性能來提高構(gòu)件服役性能。表面納米化技術(shù)被認為是今后一段時間可將納米材料應(yīng)用于工程實際的最重要技術(shù)之一。目前，通過表面機械研磨技術(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，即實現(xiàn)了表面納米化。但是目前對于S

2、MAT法實現(xiàn)金屬材料表層納米結(jié)構(gòu)的形成過程、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)，還有許多基本問題需要進一步研究。因此深入系統(tǒng)地研究該方法中的納米晶粒形成機制和應(yīng)用具有十分重要的意義。
　　 本論文對低碳鋼SMAT過程進行了數(shù)值模擬，計算了低碳鋼SMAT時表面層的應(yīng)變、應(yīng)變速率及應(yīng)力，探討了SMAT時應(yīng)變速率對低碳鋼形變機制和晶粒細化機理的影響。針對機械研磨表面時發(fā)現(xiàn)的反直觀行為(永久變形可能在脈沖的反方向)，通過模擬

3、計算研究了實驗條件下反直觀現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，討論了板厚，撞擊頻率和研磨時間等對該現(xiàn)象的影響。
　　 通過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、無污染的納米晶組織。運用金相顯微鏡(OM)、X射線衍射(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)等分析測試技術(shù)對SMAT后純鐵和低碳鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)進行了表征。
　　 通過電化學實驗、拉伸實驗、硬度和摩擦磨損測試實驗對純鐵和Q235低碳鋼表面制備出的納米晶

4、材料的性能進行了討論研究。對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上進行了Ti離子注入，運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)處理對純鐵和低碳鋼離子注入的影響。
　　 機械研磨純鐵時添加鎳粉，在純鐵表面獲得一層鐵鎳合金層，經(jīng)過不同溫度的熱處理讓合金過程進行得更完全，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散以及鐵鎳混合層的合金化過程。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681 s-1。SMAT試樣表面層的變形過程主要經(jīng)過兩個階段：彈塑性變形階段和動態(tài)回復(fù)階段。塑性變形時的應(yīng)變量和應(yīng)變速率對于試樣晶粒細化和處理后最終晶粒尺寸的大小起重要的作用。
　　 2、數(shù)值分析證實了實驗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。反直觀行為對各種參數(shù)極其敏感，載荷作用的方式對于動力反直觀行為有較大影響。在本實驗的高頻沖擊載荷作用下，作用時間的增加將使板獲得的初始動能增加，此時只需要較小的外加載荷就能使試板達到一定的變形程度且獲得足夠的能量，同時可使得發(fā)生反直觀行為的載荷值的范圍擴大，因此在本文的高頻沖擊實驗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較大(～30nm)，且塑性變形相對要小，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度明顯增大，彈性模量(斜率)減小，伸長率下降。而試樣再次經(jīng)過短時的低溫退火處理后，彈性模量有所提高,原因可能是殘余應(yīng)力和缺陷的減少?？估瓘姸忍岣叩闹饕蚴荢MAT使純鐵表面層晶粒的細化；晶粒細化的同時表面一定厚度經(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度。
　　 7、Ti注入純鐵和Q235

10、鋼后，注入元素濃度在經(jīng)過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純鐵時在試樣罐中添加鎳粉，經(jīng)過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械研磨時存在顯著的原子擴散，實現(xiàn)了金屬表面合金化，適當?shù)臒崽幚碓鰪姾辖鸹潭?，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