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应变诱导高锰钢表层纳米化及其对耐磨性能的影响

周志斌  
【摘要】:表面纳米化是近几年提出的新概念,利用强烈塑性变形法(SPD)等方法在材料表面制备具有优异性能的纳米晶层,从而提高材料的整体力学性能和环境服役行为。本文采用普通的喷丸设备对高锰钢表面进行喷丸处理,使其表面发生强烈的塑性变形从而制备出一定厚度的纳米晶层。 本文利用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨电子显微镜(HREM)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、表面粗糙度仪等测试技术,系统研究了(1)喷丸处理诱导高锰钢表层纳米化组织演变过程和形成机制;(2)喷丸处理诱导高锰钢表层纳米化对高锰钢性能的影响;(3)表面纳米化对高锰钢在不同冲击载荷下耐冲击磨损性能的影响;(4)表面纳米化对高锰钢在不同磨料下两体磨损性能的影响;(5)表面纳米化对高锰钢三体磨损性能的影响。 研究表明,通过普通的喷丸处理后,高锰钢样品表面的晶粒尺寸可细化至纳米量级,平均晶粒尺寸小于10nm,随着与表面距离的增加晶粒尺寸逐渐增大。表面纳米化后高锰钢的表层明显强化,与样品的基体相比,表层的硬度提高一倍以上。高锰钢喷丸处理后变形层可大致分为纳米晶层,亚微晶层和过渡层。高锰钢表面纳米化机制与高密度的位错缠结和高密度的位错反应和重组,多重挛晶的相互交割作用以及挛晶和位错的交互作用有关。 研究发现,预先的加工硬化对高锰钢样品在石英砂作为磨料的冲击磨损条件下以及以刚玉为磨料的两体磨料磨损条件下,对提高样品的耐磨性的贡献不显著,但在以玻璃为磨料的两体和三体磨料磨损条件下,表面纳米化后对样品的耐磨性有显著的提高,采用合适的喷丸时间,样品的耐磨性能提高将近一倍左右。高锰钢喷丸试样在玻璃砂作为磨料的三体磨料磨损条件下,表面纳米化样品的磨损机理主要为疲劳磨损。


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