机械纳米化钢表层的扩散与腐蚀

论文摘要

扩散与腐蚀是材料的两个重要性能。表面机械研磨处理技术是一种新颖的制备纳米材料技术,其制备的纳米表层具有优良的力学性能。由于纳米表层具有独特的晶界结构,它的扩散和腐蚀性能异于传统材料。研究纳米晶体中的扩散机理和腐蚀性能对探讨新的扩散机制、纳米表层的制备、表面机械研磨技术的产业应用等都具有重要意义。本文对Al在纳米晶体纯Fe中的低温扩散行为进行定量研究,并研究了316不锈钢纳米结构表层的电化学腐蚀行为。通过表面机械研磨处理技术(SMAT)在纯Fe和316不锈钢上制备纳米结构表层:首次开发出氢脆技术,并结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等方法表征其微观结构特征;用二次离子质谱仪(SIMS)测量Al在SMAT纯铁纳米结构表层中的扩散性能;采用电化学测量手段——极化曲线和临界点蚀温度对比研究原始态和SMAT态316不锈钢的耐腐蚀性能。得出如下主要结论:1.经过SMAT处理,纯Fe表层生成了平均尺寸约为31nm的纳米晶体组织。316不锈钢表面形成了平均尺寸约为19nm的纳米晶组织。2.在300～380℃温度范围内,Al在SMAT制备的纳米晶纯Fe中的扩散系数比Al在粗晶纯Fe中扩散系数高6～7个量级。扩散激活能为134kJ/mol,低于传统扩散激活能。扩散系数的提高源于其中具有大量高位错密度和高晶界储能的非平衡晶界,以及在随后的热处理过程中高密度位错的运动、湮灭过程。3.纳米化后,316不锈钢的耐腐蚀性能下降;原因是机械纳米化过程在表面进入大量裂纹性缺陷使钝化特性消失。退火处理后,316不锈钢纳米层的耐腐蚀性能得到提高,且退火温度越高,耐腐蚀性能越好。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 前言
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面纳米化
• 1.2.1 表面纳米化的分类
• 1.2.2 表面机械研磨处理（SMAT）
• 1.3 腐蚀基本原理
• 1.3.1 腐蚀基础知识
• 1.3.2 腐蚀类型及特征
• 1.3.3 点蚀及其机理
• 1.3.4 点蚀评价技术与研究现状
• 1.4 扩散基本原理
• 1.4.1 扩散的宏观规律
• 1.4.2 扩散的热力学分析
• 1.4.3 扩散的微观机制
• 1.4.4 Arrhenius定律
• 1.5 相关工作的研究现状
• 1.6 本章小结
• 第二章 实验方法与装置
• 2.1 样品制备
• 2.1.1 原始材料及其表面纳米化处理
• 2.1.2 纳米纯Fe上镀Al及扩散热处理
• 2.1.3 SMAT纯铁表面的低温渗Al
• 2.2 组织结构表征
• 2.2.1 氢脆法
• 2.2.2 XRD分析
• 2.3 性能测试
• 2.3.1 电化学腐蚀性能测试
• 2.3.2 SIMS分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 316不锈钢纳米化前后的腐蚀性能研究
• 3.1 实验结果
• 3.1.1 纳米化后316不锈钢的组织结构表征
• 3.1.2 纳米化后316不锈钢的腐蚀性能
• 3.2 分析与讨论
• 3.3 本章小节
• 第四章 纳米纯铁中的低温扩散行为研究
• 4.1 实验结果
• 4.1.1 组织结构表征
• 4.1.2 硬度
• 4.1.3 Al在纳米纯铁中的低温扩散行为研究
• 4.2 分析与讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 纳米纯铁表面的渗铝行为与腐蚀性能研究
• 5.1 纳米纯铁表面的低温渗铝行为
• 5.2 纳米纯铁及渗层的腐蚀性能研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录 硕士在读期间完成论文
• 后记