灰口铸铁等离子表面强化组织与疲劳性能的研究

摘要

随着机械工业的发展,人们对材料性能的要求越来越高,表面强化具有生产费用低、原材料的利用率高、工艺实施、具有连续性、易于实现自动化生产等优势。高能束(激光、电子束、等离子)表面强化作为重要的强化手受到了广泛的关注。目前,对高能束表面强化后材料的组织结构、腐蚀性能、磨损性能已有深入的研究。然而,作为构件实际使用时还必须考虑到材料的疲劳性能,其相关领域鲜有报道。
　　本文研究了灰口铸铁等离子合金化TiC-Cr-W后表面形貌、强化层几何形态、组织形貌、相结构与显微硬度分布,讨论了工艺参数对上述结果的影响,得出HT200等离子合金化最佳工艺参数。使用Weibull概率分布、SEM分析等离子强化对疲劳寿命、裂纹扩展的影响。分别讨论了合金化区、热影响区经过不同回火温度处理后的组织转变规律,结合金相显微镜、图像处理软件、TEM和XRD,分析合金化区各物质体积百分含量、晶粒尺寸变化,回火工艺对等离子强化后材料整体疲劳性能。
　　本文主要研究成果如下:
　　1)等离子合金化后合金涂料与基体形成冶金结合,没有明显的宏观裂纹出现。横截面主要由合金化区、热影响区基体三部分组成。合金化层组织为共晶莱氏体、树枝晶与胞枝晶,随到表层距离的增加组织呈梯度变化。XRD、能谱分析、TEM衍射花样表明残余奥氏体晶界处均匀分布的白色颗粒为TiC。热影响区组织由针状马氏体,未溶解的片状石墨组成。等离子合金化后表面硬度呈先升后降趋势,在次表层达到最高。最佳工艺下,等离子合金化、等离子淬火以及基体的平均硬度分别为1069、856、269 HV0.2。等离子处理后材料的表面形貌、显微组织以及硬度分布与工艺参数有关。
　　2)等离子合金化TiC-Cr-W后疲劳特征寿命 Na提高64％,等离子淬火降低了特征寿命。疲铸件本身的缺陷是导致等离子强化疲劳寿命分散的重要原因。观察疲劳断口发现:合金化层与基体都表现为解理断裂特征,合金化层微观断口呈现出凹凸不平解理面,而基体中解理台阶相互平行。热影响区为冰糖状沿晶断裂,由表层至基体,冰糖状晶粒逐渐变大。
　　3)分别对基体、等离子强化样品疲劳裂纹的扩展行为进行研究,发现等离子合金化TiC-Cr-W在一定范围内扩展速度小于基体,超过临界值之后,等离子合金化的扩展速度较基体快。然而,等离子淬火疲劳裂纹扩展速度始终大于基体。等离子合金化消除了石墨,消除了应力集中。合金化层内,裂纹沿生成的共晶组织片方向发生偏转。裂纹在热影响区延着原奥氏体晶粒方向扩展。
　　4)合金区经200℃回火后,大量针状马氏体在原奥氏体晶粒内生成,并贯穿奥氏体晶粒。回火生成的马氏体片宽度明显大于等离子合金化后产生的马氏体片宽度,伴随回火温度的升高,位错密度下降,亚晶界逐渐消失。回火温度进一步升高后,残余奥氏体分解,铁素体的生成, TiC固溶于基体之中,发生(Fe,Cr)7C3→(Fe,Cr)23C6转变。热影响区经回火处理,在针状马氏体上原位生成了片状珠光体形态的回火组织。加入合金元素提高了强化层的回火稳定性。等离子合金化后200℃回火较未回火,400℃,600℃回火显微硬度总体提升。
　　5)采用200℃回火可提高等离子合金化疲劳特征寿命值Na值约4倍。过高的回火温度使疲劳寿命显着下降。后续热处理降低了寿命的分散度。拟合疲劳裂纹扩展速率结果表明,基体试样,等离子合金化+200℃回火试样,等离子合金化未回火试样,淬火试样的疲劳裂纹扩展速度依次增加,200℃回火提高了抗裂纹萌生能力。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 文献综述

1.3 本课题研究意义以及研究内容

1.4 本课题研究路线

2.1 引言

2.2 实验设备、材料及分析方法

2.3 工艺参数对表面质量、熔池几何形貌的影响

2.4 等离子合金化微观组织分析

2.5 等离子合金化强化层硬度分布

2.6本章小结

3 利用Weilbull分布分析等离子强化对疲劳寿命的影响

3.1 引言

3.2 试验材料及方法

3.8本章小结

4 等离子强化对疲劳裂纹扩展的影响

4.1 引言

4.2 试验材料及方法

5 回火工艺对等离子合金化组织结构影响

5.1 引言

5.2 试验材料

5.3 定量测量物质百分含量方法

6 回火工艺对等离子合金化疲劳性能的影响

6.1 引言

6.2 试验材料及方法

6.5 本章小结

7 全文总结

7.1 本文结论

7.2 本文创新点

致谢

参考文献

附录1 七点拟合法求解da/dN运算程序源代码

附录2 攻读学位期间发表论文目录