0Cr18Ni9不锈钢和2A12铝合金表面纳米化及其热稳定性研究

摘要

表面纳米化(SNC)技术能够通过强烈塑性变形而在工程金属材料上制备出纳米结构表层,从而显著地提高材料表面(和整体)的性能与服役行为。目前通过超音速微粒轰击技术,在金属材料表面已经成功制备出一定厚度的纳米结构表层,即实现了表面纳米化。然而对于金属材料表层纳米结构的微观组织演变,性能与结构的关系尚缺乏系统的认识和深入的理解。因此,深入系统的研究强烈塑性变形导致的纳米晶粒形成机制和技术对纳米材料合成与应用具有十分重要的意义。纳米晶材料由于结构独特,性能优异而倍受关注。但由于纳米材料中存在着大量的非平衡晶界,在使用过程中很容易因温度的升高而发生晶粒长大,从而导致纳米材料性能的大幅度下降,因此纳米结构的热稳定性成为SNC技术开发的关键问题之一。为此,本文选取工业上常用的0Cr18Ni9奥氏体不锈钢和2A12硬质铝合金进行超音速微粒轰击(SFPB),制备出纳米结构表层,并对其进行不同温度和时间的退火,利用X-射线衍射(XRD)、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和显微硬度测试等手段,研究SFPB样品在退火前后组织和性能的变化,并对这两种金属材料在SFPB过程中的纳米化机制以及热稳定性机制进行了探讨。主要研究结果如下：1.0Cr18Ni9不锈钢和2A12铝合金经超音速微粒轰击后,表层形成了随机取向的等轴纳米晶粒：随着距表面距离的增加,塑性变形量逐渐减小,晶粒尺寸逐渐增大,直到与基体粗晶基本相同。表面层微观结构随距离表层深度的增加呈现梯度变化,依次可分为：纳米晶层,亚微米晶层,过渡层及基体。2.层错能对表面纳米化有着重要的影响,低层错能的0Cr18Ni9钢,塑性变形和纳米组织的形成主要是依靠形变孪晶；而高层错能的2A12铝合金,则是通过位错运动,由此可见,材料的不同塑性变形方式均可以导致表面纳米化。3. SFPB处理的试样表面显微硬度明显增大,大约提高到基体硬度的二倍,随着距表面距离的增加,显微硬度值逐渐下降,直至与基体硬度相同。4.0Cr18Ni9不锈钢和2A12铝合金经SFPB处理后,当退火温度分别低于550℃和250℃时,梯度结构的组织形态和晶粒尺寸未发生明显的变化；当退火温度分别升高至550℃和250℃时,材料的梯度组织发生了回复与再结晶,表层纳米晶长大。5.与退火温度相比,退火时间对材料梯度组织和硬度的影响较小。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 纳米材料概述

1.2 纳米材料的制备方法

1.2.1 惰性气体冷凝法

1.2.2 非晶晶化法

1.2.3 高能球磨法

1.2.4 快速凝固法

1.2.5 强烈塑性变形法

1.3 纳米材料的结构

1.3.1 晶界结构

1.3.2 晶粒结构

1.4 纳米材料的特性

1.4.1 力学性能

1.4.2 光学性能

1.4.3 磁学性能

1.4.4 热稳定性

1.5 表面纳米化

1.5.1 表面涂覆或沉积方法

1.5.2 表面自身纳米化方法

1.5.3 混合纳米化方法

1.6 课题的研究意义与内容

1.6.1 研究意义

1.6.2 研究内容

1.7 实验技术路线

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验装置及工艺参数

2.2.1 喷丸机种类

2.2.2 喷丸设备

2.2.3 喷丸原理

2.2.4 喷丸工艺参数

2.2.5 热稳定性试验

2.3 分析和测试方法

2.3.1 光学显微镜观察

2.3.2 X-射线衍射仪分析

2.3.3 扫描电镜观察

2.3.4 透射电镜观察

2.3.5 显微硬度测量

3 表面纳米化机理研究

3.1 X-射线衍射分析

3.2 金相组织观察

3.3 扫描电镜观察

3.4 透射电镜观察

3.4.1 0Cr18Ni9不锈钢TEM分析

3.4.2 2A12硬质铝合金TEM分析

3.5 超音速微粒轰击材料的纳米化机理研究

3.5.1 0Cr18Ni9不锈钢纳米化机制讨论

3.5.2 2A12铝合金纳米化机制讨论

3.6 显微硬度分析

3.7 本章小结

4 超音速微粒轰击后材料热稳定性研究

4.1 X-射线衍射分析

4.2 金相组织观察

4.2.1 加热温度对组织的影响

4.2.2 保温时间对组织的影响

4.3 扫描电镜观察

4.4 透射电镜观察

4.4.1 0Cr18Ni9不锈钢TEM分析

4.4.2 2A12硬质铝合金TEM分析

4.5 显微硬度分析

4.6 热稳定性讨论

4.6.1 表面纳米化结构的热稳定性

4.6.2 退火对梯度组织显微硬度的影响

4.7 本章小结

5 结论

致谢

参考文献