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0Cr18Ni9钢超音速微粒轰击(SFPB)表面纳米化机理与性能研究

刘忠良  
【摘要】: 表面纳米化是在块体材料表面形成一定厚度的纳米晶组织表层的过程。通过表面纳米化处理不但可以将纳米材料的独特性能赋予传统材料以提高其整体性能,也可优化传统表面处理工艺,获得具有独特结构和优越性能的表层,同时为在纳米尺度上系统研究工艺、结构与性能的关系提供理想的样品。 本文选用具有广泛应用背景,且层错能较低的0Cr18Ni9不锈钢作为研究对象,利用超音速微粒轰击处理(SFPB)技术实现表面纳米化;用金相显微镜、X—射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对表面纳米化样品做结构表征;评定和分析了表面纳米化的硬度、耐磨性、耐蚀性等性能和对低温渗氮行为的影响。对低层错能材料在SFPB过程中的纳米化机制以及0Cr18Ni9不锈钢低温渗氮的促渗机制进行了探讨,获得了以下主要结论: 1.超音速微粒轰击实现了0Cr18Ni9不锈钢的表面纳米化。经过30分钟SFPB,在0Cr18Ni9不锈钢的表面形成了大约30μm厚的纳米晶组织表层,表层晶粒尺寸约18nm,随处理时间的增加,晶粒尺寸持续减小而后逐渐趋于稳定;随着距表面深度的增加,晶粒逐渐由随机取向的等轴状纳米晶变成具有择优取向的不规则形状的亚微米晶,晶粒细化逐渐变得不均匀。 2.0Cr18Ni9不锈钢在SFPB过程中发生了应变诱导马氏体相变。表层马氏体的含量随处理时间的增长而升高,经30分钟SFPB处理的0Cr18Ni9不锈钢表层,马氏体含量趋于100%:随着距表面深度增加,马氏体的含量逐渐减少而奥氏体的含量增加。 3.低层错能0Cr18Ni9不锈钢在SFPB过程中以形变孪晶为主要变形方式。由被处理表面沿深度方向的组织结构依次为:表层纳米晶、多系孪晶、单系孪晶、平面型位错列、无应力基体;这种材料的晶粒细化是通过形变孪晶的分割实现的,分割过程随着向处理表面靠近逐渐在越来越小的尺度上进行;在近表层,具有纳米量级的多系形变孪晶将晶粒分割成为纳米量级的结构单元;弹丸的重复撞击逐渐使这些结构单元的取向变成随机分布。 4.表面纳米化使氮元素在0Cr18Ni9不锈钢样品表层中扩散速度加快,进而优化了这种材料的低温渗氮效果,成倍提高了低温渗层厚度。表面纳米化样品经400℃、450℃9小时渗氮形成的氮化层厚度是相同条件下粗晶样品的两倍;在表层形成了ε相和γ'相组织,改善了渗层硬度梯度,大大提高了试样表面硬度。


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