工业纯铁表面纳米合金化改性及原子扩散行为研究

摘要

现有的金属表面合金化手段往往要在高温下、长时间处理，以实现原子的渗入，这不仅可能会对基体的组织性能产生不利影响，也造成了资源、能源的浪费。针对这一问题，本文将金属表面自纳米化技术与表面合金化技术相结合，对工业纯铁进行纳米合金化改性。其核心思想是利用纳米晶铁中的晶界、缺陷等为原子扩散提供大量扩散通道，从而能够在较低的温度下实现原子的快速扩散，降低表面合金化温度，缩短扩渗时间。表面纳米合金化改性主要涉及四个方面的内容，即自纳米化组织的获得、纳米晶中原子的扩散、扩散过程中的相变以及纳米合金化改性层的性能。
　　 本文首先利用高能喷丸法对工业纯铁进行了表面自纳米化处理，运用OM、XRD、SEM、EBSD等手段对其自纳米化组织结构进行了系统表征与分析，得到了工业纯铁高能喷丸自纳米化工艺和机理。在此基础上，通过不同扩散源和应力加载方式的扩散处理，在工业纯铁表面获得了多种表面纳米合金化改性层；重点对镍原子在纳米晶铁中的扩散行为进行了研究；然后对纳米合金化改性过程中的相变进行了分析；最后对纳米合金化改性层的显微硬度、耐蚀性及耐磨性进行了表征与研究。
　　 研究结果表明，在喷丸压力0.6MPa，喷丸弹丸直径1.0mm，喷嘴距喷丸表面距离50mm的工艺条件下，经6min喷丸处理，工业纯铁的表层晶粒被细化到了43.9nm，微观畸变为0.0652％；获得了本文扩散处理所需的工业纯铁自纳米化样品。表面纳米化组织的退火和热分析试验结果表明，自纳米化工业纯铁在600℃时晶粒已开始长大。
　　 工业纯铁高能喷丸表面自纳米化过程中的晶粒细化主要有三个方面的机制：一方面是通过位错运动在大晶粒内部形成较大取向差的亚晶界，随着位错不断的湮灭、重排，亚晶界的取向差不断增大，最后演变成为晶界，大晶粒被细化成小晶粒。二是利用晶粒取向差不同而变形不同步的特点，逐渐将不同晶粒和晶粒内部不同部分分开从而实现晶粒细化。三是在喷丸过程中发生了一定程度的再结晶，不断形成新的小晶粒，从而细化晶粒。
　　 在650～850℃之间对扩散偶施加10MPa恒定压力扩散实验表明，镍原子在纳米晶纯铁中的扩散系数比其在常规粗晶中提高了一个数量级；在850℃对扩散偶施加8～16MPa脉冲压力扩散时，镍在纳米晶铁中的扩散系数较恒定加压进一步提高。在用Arrhenius公式计算纳米晶中原子扩散系数时，应该考虑升温会导致纳米晶晶界数量减少从而降低扩散系数因素。
　　 对自纳米化工业纯铁扩散处理过程中的相变研究表明，在不同纳米合金化改性层中除了α-Fe外，主要形成了FeNi3、Fe2Ni0.25、NiCr和NiCr2等金属间化合物。经退火处理后，不同纳米合金化改性层的金属间化合物数量大大减少，物相主要是固溶体，而且都出现了一定数量的奥氏体。
　　 晶粒细化、应力集中以及晶格畸变共同作用导致工业纯铁自纳米化处理后的硬度增加；合金化改性后，由于合金元素的渗入，形成了固溶强化效应，导致其硬度较原始试样提高。表面自纳米化导致纯铁的耐腐蚀性有所降低，合金化改性后耐蚀性有所提高；自纳米化纯铁以化学腐蚀为主，而合金化改性层的腐蚀主要是以电化学腐蚀为主。纯铁在磨损过程中表现为粘着磨损，摩擦系数较大，磨损严重；自纳米化处理后，纯铁表面的硬度提高导致其耐磨性提高，此外，表面形成的梯度结构导致疲劳源放出的位错将受到内、外晶界的阻碍，也在在一定程度上提高了纯铁的耐磨性；对于合金化改性层，由于形成了硬而脆的金属间化合物，磨损量有所降低。

目录

文摘

英文文摘

论文创新点

1 绪 论

1.1 课题选题背景及意义

1.2 纳米表面合金化的构想

1.3 金属的表面改性

1.4 纳米晶体的结构、制备与性能

1.4.1 纳米材料基本概念

1.4.2 纳米晶体材料的结构

1.4.3 纳米材料的力学性能

1.4.4 纳米金属材料的制备手段

1.5 金属的表面自纳米化处理

1.5.1 金属表面自纳米化原理与方法

1.5.2 金属表面自纳米化机理

1.5.3 表面自纳米化的应用

1.6 固体中的扩散理论

1.6.1 宏观动力学方程

1.6.2 扩散机理和扩散系数

1.6.3 影响扩散系数的因素

1.7 纳米晶金属中的扩散行为

1.8 本文的主要研究内容与研究方案

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 试验方法与设备

2.2.1 喷丸试样的制备

2.2.2 高能喷丸试验

2.2.3 热稳定性试验

2.2.4 固态扩散实验

2.2.5 扩散元素含量分析

2.2.6 金相组织观察

2.2.7 显微硬度测试

2.2.8 EBSD分析与透射电子显微镜观察

2.2.9 SEM测试

2.2.10 XRD分析

2.2.11 耐腐蚀性测试

2.2.12 摩擦磨损性能的测定

3 工业纯铁表面自纳米化及机理

3.1 引言

3.2 高能喷丸试验

3.2.1 工业纯铁喷丸试验

3.2.2 剧烈变形层厚度变化规律

3.3 纳米晶组织晶粒的表征

3.3.1 晶粒大小表征原理与方法

3.3.2 纳米晶粒形貌表征

3.4 自纳米化工业纯铁的EBSD分析

3.4.1 EBSD原理及装置

3.4.2 自纳米化层整体EBSD分析

3.4.3 自纳米化层微区组织分析

3.4.4 自纳米化层微区织构分析

3.5 高能喷丸不锈钢和钛合金的TEM分析

3.6 自纳米化组织的SEM分析

3.7 工业纯铁高能喷丸相关机理

3.8 本章小结

4 纳米晶铁中原子特殊扩散行为

4.1 引言

4.2 自纳米化组织的热稳定性

4.3 镍原子在纳米晶铁中的扩散实验

4.3.1 镍箔做扩散源的宏观扩散现象

4.3.2 扩散层的浓度和深度

4.4 基于菲克定律的扩散动力学

4.5 镍原子在纳米晶铁中的扩散动力学

4.5.1 纳米晶铁中扩散系数计算

4.5.2 镍在纳米晶铁中扩散激活能

4.6 基于纳米晶特殊结构的原子扩散系数模型

4.6.1 纳米晶扩散理论基础

4.6.2 纳米晶粒的生长与晶界变化

4.6.3 纳米晶中原子扩散系数模型

4.7 应变诱导扩散理论

4.8 纳米晶中Cr、Ni原子共扩散现象

4.9 本章小结

5 纳米晶铁扩散过程中的相变

5.1 引言

5.2 相关二元相图分析

5.3 扩散层物相分析

5.3.1 扩散层的XRD分析

5.3.2 金属问化合物形成原因

5.3.3 金属间化合物形成过程

5.4 扩散层退火后物相分析

5.5 工业纯铁表面不锈钢化改性

5.5.1 表面不锈钢化的意义

5.5.2 表面不锈钢化的理论基础

5.6 本章小结

6 工业纯铁纳米合金化改性层性能

6.1 引言

6.2 纳米合金化改性层硬度分析

6.2.1 自纳米化层的硬度

6.2.2 合金化改性层的硬度

6.3 合金化改性层的耐蚀性

6.3.1 工业纯铁喷丸前后耐蚀性

6.3.2 合金化改性层的耐蚀性

6.3.3 耐蚀性相关机理分析

6.4 纳米合金化改性层耐磨性分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

致谢

参考文献

附 录