高氮奥氏体不锈钢机械纳米化表面层及其热稳定性研究

摘要

高氮奥氏体不锈钢具备高强度、高韧性、高塑性以及高蠕变抗性、强耐蚀性和无磁特性等诸多优异的物理化学性能，因而在军工行业、海洋工程以及石油化工等领域内具备十分良好的应用前景。尤其是高氮钢的无磁特性，不论是在无磁钻铤还是在军工设备制造等领域内都具备独特的优势。另外，以氮代镍的不锈钢制备技术能大大降低不锈钢生产领域对金属镍的依赖作用，对稀缺镍资源的战略储备具有十分积极的意义。同时，相对于稀缺镍元素来说，氮元素低廉的价格也使得不锈钢的价格优势十分明显。随着高氮钢常压冶炼技术日趋成熟和完善，不锈钢的生产成本也能得到有效的控制，企业化、规模化的生产已经成为可能。优异的性能和低廉的价格将会促进高氮钢在各个领域的应用和快速推广。
　　近年来，人们发现利用塑性变形技术能够制备金属纳米材料，实现对材料表面性能的改进并拓展其应用领域。通过对材料表面的强塑性变形处理能制备梯度纳米结构。梯度纳米结构的多级构筑类型不仅能将纳米结构材料的优异性能发挥出来，还能克服纳米材料的性能缺陷，是纳米材料制备及应用的新出路。本论文以热成形Fe-21Cr-17Mn-2.43Mo-Nb-0.83N为研究对象，首先对其进行1150℃，10h的扩散退火、水淬;然后利用自行设计的内嵌滚珠的摩擦头在铣床上对打磨光滑的板材进行时间分别为240min、360min、480min的表面机械压磨处理，并对处理后试样进行不同温度和时间的真空保温处理。采用X-RAY、显微硬度计、透射电镜等实验设备，对表面机械压磨前后以及真空保温处理前后的试样进行了系统表征，探究了高氮奥氏体不锈钢梯度纳米结构制备的机理及热稳定性，对高氮钢应用领域的拓展具有一定的参考意义。
　　本文主要研究结果如下:
　　1)本研究提供了一种制备表面纳米结构层的新工艺一表面机械压磨法，并能通过此种方法制备梯度纳米结构金属材料。
　　2)高氮奥氏体不锈钢0Cr21Mn17Mo2NbN0.83经过240min、360min、480min机械压磨处理后，其表面纳米细化层与过渡层的总厚度超过700μm，且硬度值提高一倍以上;
　　3)高氮奥氏体不锈钢OCr21Mn17Mo2NbN0.83在表面机械压磨以及后续的热处理过程中，未生成新相、始终为单一的奥氏体组织;
　　4)热处理温度对机械压磨的高氮奥氏体不锈钢0Cr21Mn17Mo2NbN0.83的梯度纳米结构影响较大，温度升高到923K后，表面纳米层厚度会减小且过渡区会发生回复再结晶现象;
　　5)在873K以内，保温时间对高氮奥氏体不锈钢0Cr21Mn17Mo2NbN0.83的梯度纳米结构稳定性影响较小，金相组织无明显变化，显微硬度值变化也不明显，但在873K长时间(300min)保温的过程中，过渡区部分高应变率的组织会发生回复再结晶现象，梯度纳米结构的稳定性也会受到影响。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米结构金属材料的塑性变形制备技术

1．2．1 冷轧

1．2．2 累积叠轧

1．2．3 等通道转角挤压法

1．2．4 高压扭转法

1．2．5 动态塑性变形

1．2．6 梯度纳米结构金属材料的制备与加工

1．3 梯度纳米结构金属材料的性能特点

1．3．1 强度

1．3．2 硬度与耐磨性

1．3．3 耐蚀性

1．3．4 强度-塑性关系

1．3．5 疲劳性能

1．3．6 热稳定性

1．4 高氮奥氏体不锈钢的物理化学性能

1．4．1 强度

1．4．2 塑性和韧性

1．4．3 蠕变抗性

1．4．4 耐蚀性

1．4．5 磁学性能

1．4．6 奥氏体稳定性

1．5 论文研究内容及意义

第二章 实验材料及试样制备方法

2．1 实验用钢的化学成分及设计原理

2．1．1 实验用钢的化学成分

2．1．2 实验钢成分设计的理论依据

2．1．3 本课题选用高氮钢常压冶炼方法简介

2．2 表面机械压磨处理前的准备

2．3 材料表面机械压磨处理

2．4 真空热处理

2．5 材料的表征方法及设备

2．5．1 显微镜观测

2．5．2 透射电镜观测

2．5．3 X射线衍射分析

2．5．4 显微硬度测试

2．5．5 利用DSC进行相变点的测试

第三章 研究用钢显微组织特征

3．1 实验钢铸态组织分析

3．2 实验钢固溶态组织分析

第四章 机械压磨诱导0Cr21Mn17Mo2NbN0．83表面纳米化及表征

4．1 不同机械处理时间所得表面层厚度

4．2 表面层晶粒尺寸的研究

4．2．1 利用透射电镜分析表面层的晶粒尺寸

4．2．2 利用X射线衍射分析表面层的晶粒尺寸

4．2．3 利用TEM与X射线测量晶粒尺寸的区别

4．3 晶粒细化机制

4．3．1 距表面不同深度的微观组织形貌

4．3．2 表面机械压磨360min后，距表面不同深度的微观组织形貌

4．4 沿深度方向硬度的变化

4．5 本章小结

第五章 高氮奥氏体不锈钢0Cr21Mn17Mo2NbN0．83机械纳米化表面层的热稳定性研究

5．1 高氮奥氏体不锈钢0Cr21Mn17Mo2NbN0．83的DSC研究

5．2 热处理对表面机械压磨处理后0Cr21Mn17Mo2NbN0．83不锈钢显微组织的影响

5．2．1 不同热处理温度对表面机械压磨处理后0Cr21Mn17Mo2NbN0．83不锈钢显微组织的影响

5．2．2 不同保温时间对表面机械压磨处理后0Cr21Mn17Mo2NbN0．83不锈钢显微组织的影响

5．3 不同热处理方式对0Cr21Mn17Mo2NbN0．83高氮奥氏体不锈钢机械压磨纳米表面层硬度的影响

5．3．1 不同热处理温度对梯度纳米结构硬度的影响

5．3．2 不同保温时间对梯度纳米结构显微硬度的影响

5．4 XRD物相分析

5．5 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果

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