AISI304奥氏体不锈钢深层渗氮机理研究

摘要

奥氏体不锈钢被广泛应用于航空航天，医疗器械等耐蚀性要求高的领域，但是由于其耐磨性差，许多零件即使是在低载荷的情况下，也十分容易损坏，这严重影响了奥氏体不锈钢的使用寿命，限制了它的应用范围。因此提高奥氏不锈钢的表面强度具有重要意义，而如何有效的提高不锈钢表面硬度和耐磨性，又能不损害其耐蚀性是一个重点研究方向。目前的研究现状是，要想获得单一的过饱和膨胀奥氏体相，就需要在低温下进行，但是渗氮效率低下，获得的渗层很薄，一旦提高温度，渗层增厚的同时，会有氮化铬析出，从而影响不锈钢的耐蚀性，因此降低奥氏体不锈钢渗氮过程中的析出对改善其表面性能具有重要意义。　　本文选择对AISI304奥氏体不锈钢进行气体渗氮，探求更加优异的方案，在拓宽渗层的同时抑制氮化铬的析出。系统地研究了低压气体渗氮对不锈钢组织性能的影响，结果表明，低压情况在延长时间或者提高温度时，表现出了更好的综合性能。表现为对奥氏体不锈钢氮化物的析出有显著的抑制作用，这是由于低压气体渗氮时，氮原子的扩散激活能达到220kJ?mol-1,比常压气体渗氮更高，从而降低氮通量达到抑制效果，也起到提高渗层韧性的作用。　　除此之外本论文系统地研究了AISI304奥氏体不锈钢渗氮过程中氮原子的扩散行为。奥氏体不锈钢渗氮，在渗层部分存在氮原子富集的平台期，扩散现象从渗层到基体逐渐减弱。高温更有利于克服束缚势垒，促进扩散，显著增加渗层厚度。　　使用双亚点阵模型计算过饱和膨胀奥氏体的分解反应，过饱和膨胀奥氏体分解为?-氮化物和?N，并计算其反应的吉布斯自由能，发现该反应主要与温度有关，温度越高，分解所需吉布斯自由能越小。除此之外，氮化铬的孕育也与温度关系显著，而与浓度没有明显关系。　　并根据计算结果设置了一种新型渗氮工艺，降温渗氮工艺，在TTP曲线内降温渗氮，可以获得性能好，又有一定厚度的纯“S相”渗层。且可以有效缩短渗氮时间，只需6.5h，就可以获得在425℃下渗氮24h的渗层厚度，且渗层韧性更好。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2研究意义

1.2奥氏体不锈钢渗氮技术国内外研究现状

1.2.1奥氏体不锈钢低温渗氮

1.2.2奥氏体不锈钢低压渗氮

1.2.3奥氏体不锈钢表面机械研磨渗氮

1.2.4其他渗氮方式

1.3 奥氏体不锈钢渗氮热力学计算研究现状

1.4本论文研究内容

第2 章实验材料和分析方法

2.1实验材料

2.2实验设备及渗氮样品制备

2.2.1实验设备

2.2.2渗氮样品制备

2.3渗层组织结构性能表征

2.3.1 微观组织检测

2.3.2性能测试

第3 章 AISI 304 奥氏体不锈钢气体渗氮层组织演变及性能

3.1引言

3.2 T-t曲线的绘制

3.2.1 不同温度时间气体微观组织结构的演变

3.2.2 气体渗氮 T-t曲线

3.3低压气体渗氮对渗氮层组织演变的影响

3.3.1 低压气体渗氮工艺组织变化规律

3.3.2 不同渗氮工艺下渗氮表面相结构

3.3.3 渗氮层的元素分布

3.4 低压气体渗氮工艺对渗氮层性能的影响

3.4.1 材料截面显微硬度表征

3.4.2 渗层耐蚀性

3.4.3 渗层耐磨性

3.6小结

第4 章 AISI304 奥氏体不锈钢深层渗氮热力学研究

4.1 引言

4.2 奥氏体不锈钢氮原子扩散的动力学研究

4.2.1 奥氏体不锈钢渗氮扩散激活能计算

4.2.2 氮原子扩散动力学模型

4.2.3 氮原子在不锈钢中的扩散行为

4.3氮化物析出热力学的计算

4.3.1膨胀奥氏体分解热力学计算

4.3.2 第二相析出孕育的温度时间关系计算

4.4 奥氏体不锈钢渗氮机理分析

4.5小结

第5 章 奥氏体不锈钢深层渗氮工艺设计

5.1 引言

5.2 ABAQUS 降温工艺模拟

5.3 降温渗氮工艺微观组织演变

5.4 降温渗氮工艺性能演变

5.6 小结

结论

致谢

参考文献

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