中低碳钢表面纳米化对低温气体渗氮行为的影响

摘要

纳米晶体材料晶粒细小,界面密度高,表现出独特的力学、物理和化学性能,但是目前很难制备理想的三维块体纳米晶；而材料的失稳(比如磨损,腐蚀,疲劳等)多发生在材料表面,若在材料的表面制备出一定厚度的表面纳米层,可利用纳米晶的优异特性来提高材料的表面的性能。金属表面自身纳米化处理可以在金属材料的表面获得纳米晶组织,且纳米结构层与基体之间没有明显的界面,在使用过程中不会因为外界条件的变化而发生剥层和分离,能够提高材料整体的服役行为。 气体渗氮是工业生产中提高材料表面性能的常用技术之一。表面晶粒细化可有效地加速化学热处理过程,纳米材料拥有丰富的晶界、位错等缺陷,这些缺陷为原子扩散提供了快速扩散的通道,可大大降低渗氮的温度,缩短渗氮的时间,提高元素渗入的浓度和深度。 本文采用超音速微粒轰击(SFPB)技术对40Cr和20Cr钢表面进行轰击处理,在材料表层获得纳米晶组织。利用X衍射、光学电镜、透射电镜、显微硬度测量仪和摩擦磨损试验机等测试技术对样品的微观结构和力学性能进行了测试分析,对表面纳米化的形成机理及其对性能的影响进行了初步的探讨。并对表面纳米化处理后的试样分别在300℃,350℃,400℃,450℃下进行了气体渗氮实验,利用金相法,硬度法和XRD法对渗氮后的试样进行了表征,讨论了实现低温气体渗氮的原理。主要研究结果如下： 1)SFPB处理以后,40Cr钢和20Cr钢试样表面均已形成等轴,随机取向的纳米结构层,最表面晶粒尺寸达到10nm左右。40Cr钢SFPB表面纳米化最佳工艺为0.4MPa气压下,轰击时间为60s～480s; 20Cr钢最佳工艺轰击气压0.2MPa,轰击480s～3600s,纳米层厚度为30μm左右；随着距表面距离的增加,晶粒尺寸增大,塑性变形量减小； 2)SFPB处理后表面显微硬度明显增大,为原始试样的二倍以上；摩擦磨损性能也有所提高,表现为摩擦系数减小,磨损量减少： 3)SFPB处理的试样,在300℃低温,渗氮时间9h即可实现快速渗氮,表面形成化合物主要以γ'相为主,并含有少量的ε相。明显降低气体渗氮的温度,并缩短了渗氮的周期,降低成本。 4)渗氮温度降低,时间缩短的主要因素为SFPB表面纳米化处理,晶粒细化为氮原子的扩散提供了大量的通道；晶界上存在大量的非平衡缺陷,提供晶界储存能,相对降低氮化物形成的自由能；试样表面粗糙度增加,与氮原子的接触面积增多,也有利于渗氮的进行。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.绪论

1.1纳米材料的结构与性能

1.1.1纳米材料的晶界特征

1.1.2晶粒结构特征

1.1.3结构稳定性

1.1.4力学性能

1.1.5原子扩散行为

1.2纳米表面工程

1.2.1纳米表面工程的实用技术

1.2.2纳米表面工程中的科学问题

1.3材料的表面纳米化

1.3.1表面涂层／沉积纳米化

1.3.2表面自身纳米化

1.3.3混合方式纳米化

1.4钢的渗氮

1.4.1渗氮方法

1.4.2气体渗氮工艺

1.5本课题的研究意义和内容

1.6实验的技术路线

2.实验设备方法

2.1实验材料

2.2实验装置

2.2.1超音速微粒轰击技术

2.2.2低温渗氮装置

2.3分析和测试方法

2.3.1 X射线衍射分析

2.3.2光学显微镜分析

2.3.3透射电子显微镜分析

2.3.4显微硬度测试

2.3.5摩擦磨损试验机

3.超音速微粒轰击表面纳米化

3.1超音速微粒轰击工艺参数

3.2 X-射线衍射分析

3.3金相显微分析

3.4TEM分析

3.4.1 40CrTEM分析

3.4.2 20CrTEM分析

3.5超音速微粒轰击处理的微观变形和晶粒细化研究

3.5.1超音速微粒轰击处理中材料的微观变形方式

3.5.2超音速微粒轰击处理中材料的晶粒细化机制

3.6表面纳米层的力学性能

3.6.1表面纳米层的显微硬度

3.6.2表面纳米层的摩擦磨损性能

3.7本章小结

4.低温气体渗氮

4.1气体渗氮中氮势的控制

4.1.1氮势控制的基本原理

4.1.2炉气氮势的控制

4.2低温渗氮结果与分析

4.2.1 40Cr渗氮层的分析

4.2.2 20Cr渗氮层的分析

4.3讨论

4.3.1渗氮层中的相结构

4.3.2表面纳米化对渗氮的影响

4.4本章小结

5.结论

致谢

参考文献

附录 硕士期间发表的论文情况