1Cr18Ni9Ti不锈钢的原子氧效应研究

论文摘要

本文利用同轴源原子氧设备和微波源原子氧设备对1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢进行了空间原子氧环境模拟暴露试验。测量了暴露试样的质量损失、表面纳米硬度及摩擦学性能。利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对暴露表面的化学成分、相组成及形貌进行了分析。使用原子力显微镜（AFM）以及接触角仪对其他表面特性进行了分析,以探究1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的原子氧侵蚀效应及机理。研究结果表明,等离子体氧和原子氧暴露均造成1Cr18Ni9Ti钢产生一定量的质量损失和表面硬化。暴露表面的纳米硬度随着原子氧注量的增加而升高。在1×1021atom/cm2的注量下,表面纳米硬度从未暴露试样的3.012GPa上升至3.897GPa。暴露试样在塑性变形初始阶段的表面缺陷明显多于未暴露试样,但等离子体氧和原子氧暴露对裂纹萌生、扩展及断裂过程影响不大。摩擦磨损试验表明,原子氧和等离子氧暴露均使摩擦初始阶段的最大摩擦系数降低,但对材料磨损机制影响不大。XPS分析表明,等离子氧和原子氧均导致1Cr18Ni9Ti钢表面层中O元素含量的升高。TEM分析发现,原子氧暴露后,奥氏体中层错发生了扩展,且出现马氏体组织。1Cr18Ni9Ti钢表面层的上述成分和显微组织变化造成了暴露表面的硬化。另外,等离子氧与原子氧暴露均导致表面接触角变小和粗糙度增加。AFM测试结果表明,当原子氧的注量为1×1021atom/cm2时,表面的粗糙度显著升高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 1Cr18Ni9Ti不锈钢简介
• 1.3 低地球轨道环境概述
• 1.4 原子氧效应
• 1.4.1 原子氧产生机理
• 1.4.2 原子氧作用机制
• 1.4.3 原子氧对材料的作用
• 1.4.4 原子氧的防护
• 1.5 原子氧效应研究方法
• 1.5.1 空间飞行试验
• 1.5.2 地面模拟试验
• 1.5.3 数值模拟
• 1.6 本文研究内容
• 第2章 试验材料与试验方法
• 2.1 试验材料及制备
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试样制备
• 2.2 1Cr18Ni9Ti不锈钢空间原子氧环境模拟试验
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 试验参数选择
• 2.3 表征试验和设备
• 2.3.1 质量变化测量
• 2.3.2 显微硬度
• 2.3.3 原位拉伸
• 2.3.4 摩擦磨损性能
• 2.4 分析测试方法和设备
• 第3章 等离子体氧暴露效应
• 3.1 质量变化表征
• 3.2 纳米硬度变化规律
• 3.3 拉伸变形行为SEM动态观察
• 3.3.1 塑性变形
• 3.3.2 裂纹萌生与扩展
• 3.3.3 宏观断口形貌
• 3.4 摩擦磨损性能
• 3.4.1 摩擦系数
• 3.4.2 磨损表面形貌
• 3.5 组织结构变化表征
• 3.5.1 表面物相结构
• 3.5.2 表面元素化学状态分析
• 3.5.3 接触角
• 3.6 等离子氧效应机理分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 微波原子氧暴露效应
• 4.1 质量变化表征
• 4.2 纳米硬度变化规律
• 4.3 拉伸变形行为SEM观察
• 4.3.1 塑性变形
• 4.3.2 裂纹萌生与扩展
• 4.3.3 宏观断口形貌
• 4.4 摩擦磨损性能
• 4.4.1 摩擦系数
• 4.4.2 磨损形貌
• 4.5 组织结构变化表征
• 4.5.1 表面物相结构
• 4.5.2 表面元素化学状态分析
• 4.5.3 TEM形貌分析
• 4.5.4 原子力显微镜表面形貌分析
• 4.5.5 接触角
• 4.6 原子氧效应机理分析
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢