金属超声表面滚压加工纳米化研究

论文摘要

本文采用天津大学材料加工系研制的TJUH-I型超声表面纳米加工处理装置对以40Cr钢为主的金属材料进行滚压加工处理。利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对滚压加工后的样品表层不同深度的微观结构进行分析,采用X-射线衍射仪（XRD）测定了沿加工影响层深度方向的残余应力分布,用高精度电感式粗糙度仪对加工后的样品表面粗糙度进行测定,用显微硬度计分析滚压加工后样品的硬度随厚度方向的变化关系。前端固定的加工头被可以自由滚动的硬质合金球替代,这样以来,加工头的滑动摩擦就被滚动摩擦和较小程度上的滑动摩擦代替,加工头的磨损速率就可以显著降低。本文所得主要结果如下:（1）经超声表面滚压加工处理后,在40Cr钢的表层一定深度形成了等轴纳米晶结构,晶粒取向呈随机分布,并且在靠近表面的区域观察到纳米晶周围被不定形态结构包围。加工后的试样初始晶粒尺寸得到了很大程度的细化,表面晶粒尺寸为4.65-7.39nm,而纳米层的厚度达到150μm。（2）经超声表面滚压加工处理后,40Cr钢的表层形成光洁的表面,表面质量明显提高,表面粗糙度降低至纳米级。（3）经超声表面滚压加工处理后,40Cr钢的表面硬度与心部相比显著提高,且硬度值随着距表面距离的增大而减小。（4）经过超声表面滚压加工,试样表面被引入了较大值的残余应力,其中在表层较大深度范围内以残余压应力为主,在靠近表面的区域压应力的大小远超过简单拉伸试验的屈服强度。这种现象的出现与材料的力学性能,应力状态密切相关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 表面工程发展历程及纳米表面工程
• 1.2 纳米晶体材料及其特性简介
• 1.2.1 纳米材料分类
• 1.2.2 纳米晶体材料的特点
• 1.2.3 纳米材料晶界结构
• 1.3 表面纳米化的途径
• 1.3.1 表面涂敷或沉积方法
• 1.3.2 表面自身纳米化
• 1.3.3 混合表面纳米化
• 1.4 金属表面纳米化研究现状
• 1.5 超声加工技术发展状况及特点
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 超声表面滚压加工设备及试验
• 2.1 超声滚压加工总体结构
• 2.1.1 超声波发生器
• 2.1.2 超声振动系统
• 2.1.3 机床
• 2.2 TJUH-I型超声滚压加工装置
• 2.2.1 超声表面滚压加工处理执行机构
• 2.2.2 数字化超声电源
• 2.2.3 超声金属表面滚压加工纳米化处理实施过程
• 2.2.4 超声金属表面滚压纳米化加工处理参数选择
• 2.2.5 滚压加工纳米化处理工作头类型、尺寸及材质选择原则
• 2.3 试验材料及滚压加工纳米化处理加工参数
• 2.4 小结
• 第三章 超声表面滚压加工纳米化微观结构表征
• 3.1 微观结构及性能表征方法
• 3.1.1 透射电子显微镜及试样制备
• 3.1.2 X-射线衍射（XRD）
• 3.1.3 表面粗糙度分析方法及设备
• 3.1.4 表层硬度分析方法及设备
• 3.2 微观结构表征结果
• 3.2.1 不同加工参数横截面金相形貌变化
• 3.2.2 滚压加工影响层不同深度微观形貌
• 3.2.3 滚压加工影响层微观应变
• 3.2.4 厚度方向显微硬度的变化
• 3.2.5 滚压加工表面粗糙度变化
• 3.2.6 滚压加工影响层组织结构特征
• 3.3 表面纳米化机制
• 3.4 小结
• 第四章 超声表面滚压加工产生残余应力的影响及分布
• 4.1 残余应力对材料的影响
• 4.1.1 残余应力对静强度的影响
• 4.1.2 残余应力对疲劳的影响
• 4.1.3 残余应力对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响
• 4.1.4 残余应力场对疲劳行为的影响
• 4.1.5 残余应力场对疲劳裂纹萌生的影响
• 4.1.6 残余应力场对疲劳裂纹扩展的的影响
• 4.2 X射线应力分析
• 2Ψ法测试基本原理'>4.3 X射线衍射应力分析的SIN²Ψ法测试基本原理
• 4.4 测试方法和条件
• 4.5 测试结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 结果讨论与研究前景
• 5.1 纳米晶粒的形成的推测与讨论
• 5.2 超声表面滚压加工与SMAT相比的特点
• 5.3 存在的问题及研究前景
• 5.4 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况
• 致谢