H13钢加工白层组织及其电化学特性

摘要

淬硬钢具有高强度和高硬度的特点，在模具、轴承等行业应用非常广泛。淬硬钢的常用加工方法有硬态切削、磨削和电火花加工，其加工表面完整性直接影响零件的使用性能。白层是伴随着淬硬钢加工过程而形成的存在于工件表面层的一种特殊组织。白层晶粒细小，具有高硬度、高脆性等特征，对零件的使用性能具有重要的影响。影响白层形成的因素众多，实际生产中很难对白层的产生进行准确控制和预测。想要获得零件表面层信息，目前只能通过传统的金相观察方法。这种方法不仅效率低，而且破坏被测零件，因此低损甚至无损的白层检测方法亟需开发。随着电化学技术的发展，一些电化学测量方法不仅能准确评价材料性能，而且测量过程对被测试样低损伤，展现出可应用于白层检测的潜力。基于此，本文以AISIH13模具钢为实验材料，在系统研究其加工白层组织的基础上，提出了利用电化学方法来检测白层的方案，并对其可行性和可操作性进行研究。
　　研究了铣削表层微观组织在刀具磨损过程中的演变规律。在刀具磨损过程中，随着刀-工之间挤压、摩擦作用的加剧，工件表层可能发生组织相变和显微结构改变，依次形成黑层和白层组织。
　　利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)等材料微观分析手段，研究了淬硬钢加工白层的组织特征。微观分析表明，白层由细小的亚晶粒组成，晶界不明显，铣削白层内存在大密度位错，塑性变形严重;白层内的化学元素含量较基体发生了显著变化，铣削白层内C元素和O元素含量明显增加。
　　研究了铣削试样表面层微观组织对电极/溶液双电层界面阻抗的影响规律。具有不同微观组织类型的试样其阻抗曲线位于阻抗谱的不同区域。等效电路拟合结果表明，白层的出现显著减小了电极/溶液双电层界面之间的电荷转移电阻Rct，即白层减弱了试样的耐腐蚀能力。研究同时表明，通过分析测得的电化学参数可以对试样是否具有白层进行判别。
　　分析了电解液和电化学测试方法对白层检测效果的影响。通过观察，极化曲线的测量对测试试样表面损伤较大，试样表面层材料遭到严重腐蚀;而电化学阻抗谱测量不仅能准确区分有/无白层试样，而且这种测量手段对于被测试样的影响是微小的。相较于3.5wt％NaCl溶液，具有不同微观组织的试样在1 mol/LNaOH溶液中的阻抗具有更高的区别度，因此低溶度的NaOH溶液可作为白层检测的电解质溶液。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 淬硬钢加工白层研究现状

1．2．1 白层组织特征

1．2．2 白层的形成机理

1．2．3 切削条件对白层形成的影响

1．2．4 白层的预测

1．2．5 白层的检测

1．3 电化学方法在材料性能评价中的应用

1．4 课题来源及主要研究内容

第2章 H13钢加工白层的组织研究

2．1 H13钢试样制备

2．1．1 实验材料及性能

2．1．2 实验设备

2．1．3 实验方案设计

2．1．4 测试程序

2．2 刀具磨损与表面层微观组织观察

2．2．1 刀具磨损

2．2．2 工件表面层微观组织

2．3 白层微观组织分析

2．3．1 白层晶粒特征

2．3．2 白层元素成分分析

2．4 本章小结

第3章 H13钢铣削试样／溶液双电层界面的交流阻抗解析

3．1 电化学实验

3．1．1 测试原理

3．1．2 实验仪器

3．1．3 工作电极的制备

3．2 电化学阻抗谱

3．2．1 阻抗谱原理

3．2．2 等效电路与等效原件

3．3 铣削表面层微观组织对试样电化学特性的影响

3．3．1 稳态开路电位测量

3．3．2 EIS图谱解析

3．3．3 等效电路拟合与数据解析

3．4 本章小结

第4章 加工白层的电化学方法检测

4．1 电化学阻抗谱的测量与解析

4．2 动电位极化曲线的测量与解析

4．3 试样表面观察

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与课题

致谢