基于快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓的低碳鋼與不銹鋼表面納米化研究.pdf

1、為了滿足服役環(huán)境對材料性能（如強(qiáng)度、硬度、摩擦磨損、腐蝕等）的特殊需要，人們相繼提出了多種表面改性技術(shù)，例如電鍍、噴涂、氣相沉積、表面化學(xué)處理等。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，將傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)與納米制備技術(shù)相結(jié)合，有可能為實現(xiàn)工程金屬材料的納米化提供一個新的發(fā)展方向。通過表面納米化處理，可以在各種金屬材料的表面獲得納米晶組織，由于納米結(jié)構(gòu)層與基體之間沒有明顯地界面，在使用過程中不會因為外界條件的變化而發(fā)生剝落和分離，因此可以用于取代一些成

2、本高的表面處理方法。
　　 到目前為止，人們已經(jīng)開發(fā)了許多表面納米化的工藝，如表面機(jī)械研磨處理、噴丸處理、超聲冷鍛等等。然而這些技術(shù)要么工藝復(fù)雜、效率低，要么難以加工大尺寸的樣品，這些不利的因素已經(jīng)限制了表面納米化技術(shù)的實際應(yīng)用。因此，開發(fā)一種合理的表面納米化工藝是非常必要的。本課題的目的在于探索一種新的表面納米化的方法，即快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓(fastmultiplerotationrolling，F(xiàn)MRR)，改進(jìn)以往技術(shù)的不足之

3、處，并通過表征納米結(jié)構(gòu)層的特征來分析納米層結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，及納米晶的熱穩(wěn)定性和納米化機(jī)理被研究。本文主要完成的研究內(nèi)容如下:
　　 (1)設(shè)計了一種具有應(yīng)用前景的新型快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓裝置(FMRR)，可用于各種金屬材料的表面納米化處理。
　　 (2)對低碳鋼和不銹鋼進(jìn)行不同時間的FMRR處理，研究了處理前后材料微觀結(jié)構(gòu)的變化。對低碳鋼材料處理30min，晶粒明顯細(xì)化到納米級，平均晶粒尺寸約為20nm;處理時間增加到

4、60min，晶粒進(jìn)一步減小到9nm。對316L不銹鋼材料處理30min和60min，形變誘發(fā)α'馬氏體發(fā)生，α'馬氏體相的含量分別為10％和20％。同時，晶粒已明顯細(xì)化，晶粒尺寸分別17nm和12nm。
　　 (3)研究了FMRR工藝制備的納米結(jié)構(gòu)層對低碳鋼的硬度、強(qiáng)度和摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明:最表層的顯微硬度是原始樣品的2倍;FMRR樣品的屈服強(qiáng)度(σ0.2)提高了24％，抗拉強(qiáng)度提高了18.6％，同時，塑性有輕微的減小

5、，從26％降低到22％。此外，F(xiàn)MRR處理后低碳鋼的摩擦系數(shù)從0.52降低0.30以下，且納米層的磨損量小于原始樣品，這表明快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓能明顯提高低碳鋼的耐磨性。
　　 (4)研究了在316L不銹鋼的表面制備的納米結(jié)構(gòu)層對其性能的影響。結(jié)果表明:納米層的硬度是原始樣品的2.8倍;FMRR處理后樣品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了608MPa，比原始不銹鋼的抗拉強(qiáng)度增加了22％。屈服強(qiáng)度(σ0.2)提高了51％。同時，具有納米和粗晶結(jié)構(gòu)樣品的

6、韌性達(dá)到一個較高的值，大約38％。腐蝕性研究表明:快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓制備的納米結(jié)構(gòu)層降低了316L不銹鋼的腐蝕性，這是由于晶界的增多、粗糙度增加、馬氏體的產(chǎn)生及位錯密度的增加所致。
　　 (5)對具有納米結(jié)構(gòu)層的低碳鋼和不銹鋼在不同的溫度下退火，研究了納米結(jié)構(gòu)層的熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明:對低碳鋼在400℃進(jìn)行退火，納米結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定存在，盡管晶粒尺寸從9nm增長到30-60nm，但仍為納米級。316L不銹鋼在退火過程中，隨著退火溫度的升高

7、，晶粒增大，微觀應(yīng)變減小。在500℃時，晶粒尺寸仍為納米級;同時，在退火過程中，發(fā)生馬氏體相變，對于FMRR處理60min的樣品，在500℃時，馬氏體含量達(dá)到最大值為92％，這是由于應(yīng)力釋放所致。
　　 (6)低碳鋼為bcc結(jié)構(gòu)材料，具有高的層錯能。在快速多重旋轉(zhuǎn)碾壓過程中，晶粒細(xì)化機(jī)理為:位錯通過滑移、積累、交互作用、湮滅和重排等形成位錯墻和位錯纏結(jié)，高密度位錯在位錯墻和位錯纏結(jié)附近發(fā)生湮滅和重排，使得位錯墻和位錯纏結(jié)發(fā)展成亞

8、晶界而細(xì)化晶粒，重復(fù)以上的過程，最終形成納米晶。316L不銹鋼為fcc結(jié)構(gòu)材料，具有低的層錯能。其晶粒細(xì)化機(jī)理為:位錯在不同滑移面上排列后，形成孿晶，然后這些孿晶進(jìn)行交割，最終將晶粒細(xì)化而產(chǎn)生納米晶。
　　 總之，該研究提出了一種新型的表面納米化技術(shù)，該技術(shù)具有效率高、可加工大塊樣品等特點。利用該工藝制備的納米結(jié)構(gòu)層，使材料的力學(xué)性能得到明顯的提高，這對低成本傳統(tǒng)材料的產(chǎn)業(yè)化改造和升級換代提供全新的思路。此外，納米層的熱穩(wěn)定性的