低碳钢表面纳米化组织结构及性能研究

论文摘要

材料的失效很多是发生在表面,如疲劳、腐蚀和磨损等都对材料的表面性能极其敏感。表面纳米化是近几年提出的新概念,采用强烈塑性变形（SDP）等方法在材料表面制备纳米晶层,利用纳米材料优异性能提高材料的整体力学性能和环境服役行为。本文采用SNC-1金属材料表面纳米化试验机对低碳钢Q235表面进行喷丸处理,使其表面发生强烈的塑性变形从而制备出一定厚度的纳米晶层。本文利用金相显微镜、X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、表面粗糙度仪等测试技术,系统研究了:（1）喷丸处理诱导低碳钢表层形成一定厚度的纳米晶层;（2）喷丸处理诱导低碳钢表层纳米化对低碳钢性能的影响及最佳的表面纳米化处理时间;（3）表面纳米化对低碳钢在不同载荷作用下摩擦磨损性能的影响。最后,运用有限元分析的方法对低碳钢表面纳米化过程出现的反直观现象进行了模拟分析,分析了冲击载荷,试样的厚度对反直观行为的影响。研究表明,通过普通的喷丸处理,低碳钢样品表面的晶粒尺寸可细化至纳米量级,平均晶粒尺寸为1020nm。随着与表面距离的增加,晶粒尺寸逐渐增大。处理时间为90、120min时,试样的表面塑性变形较30、60min处理时间强烈,塑性变形层的厚度也越深。表面纳米化后低碳钢的表层明显强化,与基体相比,表层的硬度提高两倍以上。其中处理时间为90min的试样,表面的显微硬度最高。通过对不同喷丸处理时间下材料表层硬度、表面粗糙度及耐蚀性的对比,得出处理时间以90min为佳。研究发现,表面纳米化提高了低碳钢在低载荷及中等载荷作用下的耐磨性,并明显地降低了材料的摩擦系数。当载荷增至55N后,其耐磨性能略有下降,接近未经表面纳米化处理试样的性能。随着载荷的增大,表面纳米化低碳钢的主要磨损机制从磨粒磨损机制转变为疲劳磨损机制。表面纳米化有助于减弱低碳钢表面的疲劳磨损效应。同时有限元计算结果应证了表面机械研磨法制备纳米层时出现反直观现象的可能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 纳米材料与制备方法
• 1.2.1 纳米晶体材料
• 1.2.2 纳米材料的制备方法
• 1.2.3 表面纳米化技术的发展前景
• 1.3 金属表面纳米化
• 1.3.1 表面纳米化的制备方法
• 1.3.2 表面机械研磨
• 1.4 表面纳米化对性能的影响
• 1.4.1 力学性能
• 1.4.2 腐蚀性能
• 1.5 选题意义和研究内容
• 本章参考文献
• 第二章 试验材料及试验方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 光学显微镜观察
• 2.3.2 扫描电子显微镜观察
• 2.3.3 X 衍射分析
• 2.3.4 透射电子显微镜观察
• 2.3.5 显微硬度测量
• 2.3.6 表面粗糙度测量
• 2.3.7 摩擦磨损分析方法及设备
• 2.3.8 极化腐蚀
• 第三章 低碳钢表面纳米化后组织及性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 低碳钢表面纳米化后的微观组织结构分析
• 3.2.1 低碳钢表面纳米化后截面的金相组织分析
• 3.2.2 低碳钢的 XRD 分析
• 3.2.3 低碳钢表面纳米化后的透射电镜分析
• 3.3 低碳钢表面纳米化后表面性能研究
• 3.3.1 表面粗糙度
• 3.3.2 显微硬度
• 3.3.3 耐腐蚀性
• 3.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 表面纳米化对低碳钢摩擦性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 试验原理
• 4.2.1 摩擦系数
• 4.2.2 磨损量
• 4.2.3 承载比压
• 4.3 试验方法及设备
• 4.3.1 试验试样
• 4.3.2 试验方案
• 4.4 实验结果分析
• 4.4.1 表面机械研磨处理前后的表面形貌观察
• 4.4.2 摩擦系数
• 4.4.3 磨损量
• 4.4.4 表面纳米化低碳钢的磨损机制
• 4.5 结论
• 本章参考文献
• 第五章 表面纳米化过程中的反直观现象的研究
• 5.1 前言
• 5.2 有限元仿真模拟及反直观计算模型的建立
• 5.2.1 有限元仿分析软件简介
• 5.2.2 表面纳米化反直观计算模型的建立
• 5.3 计算结果与讨论
• 5.3.1 反直观动力响应模式和动力响应不稳定区域
• 5.3.2 反直观行为影响因素的分析
• 5.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 主要结论
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文