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《江苏大学》 2012年
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激光冲击不锈钢抗腐蚀性能及微观强化机理研究

罗开玉  
【摘要】:激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术,具有高压、高能、超快和超高应变率等特点,具有常规加工方法无可比拟的优点,具有显著的技术优势。尽管激光冲击强化金属构件能够显著提高机械性能疲劳寿命,然而目前对于低层错能金属表层激光冲击细化晶粒的微观结构演变、性能结构关系以及抗应力腐蚀作用机理尚缺乏系统的研究,仍然缺乏统一的认识和深入的理解。 本文以ANSI304不锈钢为研究对象,对激光冲击强化不锈钢表面完整性、微观结构演变和晶粒细化机制、抗应力腐蚀性能以及激光复合处理工艺进行了若干基础研究和探索,获得了以下主要结论和创新性成果: (1)系统研究了多次激光冲击诱导ANSI304不锈钢塑性变形层不同区域的微观组织结构,获得了深度方向激光冲击诱导的微观结构演变规律,首次深入系统地揭示了以多方向机械孪晶细化表层原始粗晶为主的激光冲击强化低层错能金属晶粒细化机制和微观强化机理: 单次激光冲击ANSI304不锈钢在表面形成厚度约为900μm的塑性变形层,并且随着离冲击表面距离越远,晶粒大小逐渐增大,细化原始晶粒是以片状机械孪晶为主要形式;多次激光冲击使奥氏体不锈钢塑性变形层的晶粒明显细化,在激光冲击ANSI304不锈钢的上表面,晶粒尺寸约为100-200nm。在观测试验结果的基础上,多次激光冲击ANSI304不锈钢微观结构演变规律和晶粒细化机制为:(ⅰ)高密度的机械挛晶将原始粗晶细分为层片状挛晶/基体片;(ⅱ)多次冲击能够形成不同方向的机械挛晶将粗晶细化为斜方形、三角形形状的结构,最小可以观察到亚微米量级;(ⅲ)具有取向差结构经过再结晶演变成细化的晶粒。研究成果发表在国际知名期刊Acta Materialia (2010,58(16):5354-5362)上,评审专家认为:‘'Combined with prior reporting of the work on high-stacking fault energy FCC aluminum, the work on low stacking fault energy stainless steel makes this an important collection that will be widely used(……形成一个完整的面心立方金属激光冲击晶粒细化的微观强化机理)”,该部分研究成果在国际上产生良好的影响。 (2)设计了不同晶粒尺寸和残余应力状态的三种不同U型弯曲试样,测试和表征了143±1℃42%MgCl2溶液条件下腐蚀裂纹萌生时间、裂纹形貌、残余应力以及微观结构,获得了残余压应力和晶粒细化共同作用的激光冲击不锈钢抗应力腐蚀的作用机制: 三种不同U型弯曲试样在143±1℃42%MgCl2溶液内应力腐蚀裂纹萌生时间、裂纹形貌、残余应力以及微观结构的试验结果表明:大面积搭接激光冲击能够诱导高幅残余压应力并且细化ANSI304不锈钢表层晶粒,未处理U型试样的开裂时间约为16小时,先冲后弯U型试样的开裂时间约为110小时,而先弯后冲试样300小时浸泡都未出现腐蚀裂纹,晶粒细化和残余应力是提高ANSI304奥氏体抗腐蚀能力的两大主要因素,其中残余压应力占主导作用,晶粒细化也是抑制应力裂纹萌生和扩展的主要因素。研究成果发表在国际知名期刊Corrosion Science (2012,60:145-152)上,评审专家认为"The effect of laser shock peening on mitigation of SCC by inducing compressive stress and refined grains is very interesting. This submission is well written and of high quality.(激光冲击导致的应力腐蚀裂纹延缓和减轻是非常有趣的,论文具有高质量…)”。 (3)实验研究了激光冲击对ANSI304不锈钢表面微观形貌、纳米硬度、弹性模量、残余应力和摩擦磨损性能的影响,研究结果表明激光冲击不锈钢不能明显诱导马氏体相变,获得了单次激光冲击ANSI304不锈钢表面残余应力变化和深度方向的分布规律以及激光冲击ANSI304不锈钢的复合结构特征,并揭示了复合结构的形成机理: 多次激光冲击ANSI304不锈钢不能诱导马氏体相变,其主要原因是因为激光冲击强化不锈钢过程不涉及热效应过程;激光冲击并没有提高ANSI304不锈钢的磨损性能和降低摩擦系数,相反在某些条件下激光冲击ANSI304不锈钢反而降低了不锈钢表面的磨损性能和增加了摩擦系数的不稳定性。系统研究了多次激光冲击对ANSI304不锈钢表面微观几何特征的影响,激光冲击明显增大表面波纹度,并造成波纹度尺度的双向加工纹理,纹理方向为顺搭接方向,在继承前一工艺的小微观尺度结构特征的基础上,叠加并形成新的大微观尺度结构的复合结构特征,并揭示了激光冲击ANSI304不锈钢表面复合结构的形成机理。研究成果发表在国际知名期刊Materials Science and Engineering:A (2011,528(13-14):4783-4788)上 (4)研究和分析了激光热力复合处理ANSI304不锈钢的宏观性能和断口形貌,探索激光热力复合处理工艺规律,揭示了多次激光冲击不锈钢焊接件的韧窝形成过程,这将开辟结构金属的激光热力复合再制造理论和技术的研究: 多次激光冲击强化将ANSI304不锈钢焊接接头的屈服强度提高21.79%,延伸率增长5.48%,其主要原因可能是激光冲击导致焊接接头的断裂面更明亮、无分层,韧窝分布更均匀;多次激光冲击不锈钢焊接件的韧窝形成过程为:(ⅰ)微空洞成核;(ⅱ)受外力作用微空洞生长;(ⅲ)微空洞连接;(ⅳ)在外在强载荷作用下的韧性断裂形成韧窝。采用激光雕刻和激光冲击复合处理制备了ANSI304不锈钢非光滑表面,其微观硬度、残余应力和表面粗糙度都有大幅度的提高或改善,这对提高非光滑表面的磨损性能是非常有益的。研究成果发表在国际知名期刊Materials Science and Engineering:A (2011,528(13-14):4652-4657)和Chinese Journal of Mechanical Engineering (2012,25(2):285-292)上,并获得两件授权发明专利
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG174.3

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