表面多重旋转碾压处理对45钢组织和性能的影响毕业论文Word下载.docx

表面多重旋转碾压处理对45钢组织和性能的影响毕业论文Word下载.docx

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论文探讨了在相同转速、压强，不同加工时间下表面多重旋转碾压实验对材料表面晶粒细化的影响程度，并用金相显微镜、显微维氏硬度仪、X射线衍射仪等分析检验试样组织和性能的改变。

在相同的转速1800r/min和相同的压强0.4Mpa的条件下，随加工时间的增加，45钢实验板材表面晶粒细化程度逐渐增强，通过金相组织的观测，当达到最长加工时间60min时，板材表面晶粒细化程度达到最大化。

此时，表面多重旋转碾压使试样的表层显微硬度明显增加，表层的显微硬度较未加工板提高了约74.1%，达到343.8HV，经X射线衍射检测和计算测得表面的平均晶粒尺寸约为37.5nm，达到了表面纳米化的目的。

实验结果表明：

通过表面多重碾压加工处理，45钢可以实现表面纳米化。

关键词：

表面多重旋转碾压；

45钢；

表面纳米化；

平均晶粒尺寸；

显微硬度

ABSTRACT

ThistextintroducedtomakeuseofsurfacetoweightorevolveNiantopressanequipmentsprocessingtotrykindmoreandmadecrystalgrainofitssurfaceattainaNariceClassofdetailedprocess.Thethesisinquiredintointhehomologyandturnsoon,thedissimilarityprocesstimeunderthesurfaceweighandrevolveNianandpresssolidandcheckmoreacrystalgraintheinfluencedegreethatisthinandturnistothematerialsurfaceandcounteractagoldmutuallymicroscope,showminutedetailstheWeisurnamedegreeofhardnessinstrumentandXandshootlineYanandshootaninstrumentetc.analysistheexaminationtrythechangeofkindfunction.Besoonsamealiketurninga1800rs|underminandtheconditionofpressingofhomologystrong0.4Mpas,withprocesshoraryincrement,45steelstestaplankmaterialsurfacethecrystalgrainisthintoturndegreegradualstrengthen,beattaintogrowthe60minsofprocessingtimemost,plankmaterialsurfacethecrystalgrainBethintoturndegreetoattaintomaximize.Atthistime,surfaceofontheaveragecrystalgrainsizeaboutisa24.6nms,cometoasurfaceNathericeturnsofpurpose.ThesurfaceNariceturnstomakethesurfacelayeroftryingthekindshowminutedetailsdegreeofhardnessobviousincrement.BEturningsoonforthe1800rs|min,pressstrongisa0.4MPas,theshowingminutedetailsofsurfacelayerdegreeofhardnessmorehasneverprocessedplanktoraiseabout74.1%whileprocessingtimeas60minsandattained343.8HVs.Testresultenunciation:

PresstoprocessaprocessingthroughmultipleNiansofsurfaces,45steelscancarryoutsurfaceNaricetoturn.

Keywords:

ThesurfaceweighstorevolveNiantopressmore;

45steels;

ThesurfaceNariceturns;

Ontheaveragecrystalgrainsize;

Showminutedetailsdegreeofhardness

1前言

1.1选题背景

1.1.1金属材料表面纳米化的研究目的

随着市场需求的不断变化，金属材料的应用已不光停留在注重金属本身的组织和结构上，由于金属材料的腐蚀、磨损等不稳定因素多始于表面，为了满足工作环境对金属材料的特殊需求，伴随着纳米材料与纳米技术研究的不断深入，人们从优化金属材料表面组织和结构入手，将材料表面改善技术与纳米技术相结合，从而达到优化金属材料表面性能，进而提高材料整体性能的目的。

1.1.2表面纳米化的机理

根据塑性变形晶粒细化的位错理论:

位错在晶体中是三维分布的,位错网在滑移面上的线段可以成为位错源,在应力的作用下,此位错源不断的发生位错,使晶体生滑移,位错运动过程中必须克服晶界的阻碍。

当这些位错克服了在滑移过程中的阻力后,会塞积在晶界前面,使其继续运动受阻。

当晶粒减小时,就要增大外加应力,才能克服此阻力,使其相邻的晶粒也产生滑移。

这就是说晶粒越细小,材料的强度也越高。

1.1.3表面自身纳米化（SurfaceSelf-Nanocrystallization）

1.1.3.1表面自身纳米化的概念

1999年,Lu等[1]提出了金属材料表面自身纳米化（SufaceSelf-Nanocrystallization,SNC）的概念,即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。

纳米结构表层与基体之间没有明显的界面,处理前后材料的外形尺寸基本不变。

这种表面自身纳米化技术,一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难,另一方面又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表性改良技术中。

1.1.3.2表面自身纳米化的晶粒分布特征

对以位错滑移为主要变形方式的材料其晶粒细化机理主要有晶粒分割机制、动态再结晶机制和胞结构转变为超细晶机理；

对以变形孪晶为主要变形方式的材料，其晶粒细化是通过形变孪晶间的交割实现的。

形变孪晶的相互交割将变形晶粒分割为不同的结构单元，这种孪晶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，纳米级的多系形变孪晶将变形晶粒分割成为纳米量级的结构单元，长时间的表面自身纳米化处理，在材料表层形成均匀分布的纳米晶[2]。

根据微观应变的大小、晶粒的尺寸、形状及分布状况，可以将样品沿厚度方向划分为三个区域：

表面纳米晶层、过渡层和原始晶粒层。

表面纳米晶层：

此层由晶体学随机取向的等轴状纳米晶组成，沿样品厚度方向晶粒尺寸逐渐增加。

过渡层：

过渡变形层由亚微米晶粒组成,层内晶粒形状不规则，既包含高密度位错以及纳米尺寸的剪切带和孪晶，也含有没有达到纳米级的粗晶晶粒。

原始晶粒层：

原始晶粒层的晶粒尺寸基本保持材料处理前的尺寸，只是在与过渡层交界处仍残留少量微观应变。

1.1.3.3表面自身纳米化的分类

目前的表面纳米化研究多数集中在由表面机械加工处理导致的表面自身纳米化。

能够使材料表面产生局部往复强烈塑性变形的表面处理技术都具有实现表面纳米化的潜力，目前用得比较多、相对比较成熟的方法有:

表面机械研磨处理（SMAT）、超声喷丸（USSP）、高能喷丸（HESP）、气动喷丸等。

另外,激光脉冲产生的冲击波也可以使材料发生强烈的塑性变形，并促使晶粒细化。

利用这些技术已分别在纯铁、低碳钢和不锈钢等常规金属材料上制备出纳米结构表层。

1.2金属材料表面纳米化的研究意义

在材料表面制备了纳米化层后,人们对材料的表面和整体的力学性能作了一些相应的研究。

研究显示表面层晶粒的细化可有效提高材料的表面硬度、拉伸强度以及耐磨性能。

经过表面自身纳米化处理后，钢板材整体的强度、延伸率和成形性均有不同程度的提高，主要是由于[3]：

（1）、根据Hall-Petch关系，材料的强度随着晶粒尺寸的减小而增大，当板材的表面形成纳米结构时，必然会产生细晶强化效应；

同时，SMAT在材料表层引入的压应力又具有加工硬化效应11例.二者共同作用导致强度的提高。

（2）、SMAT使材料表面附近形成了晶粒尺寸沿深度方向连续变化的梯度结构，其中纳米结构表层能有效地抑制裂纹的萌生，而心部的粗晶组织又有助于阻止裂纹的扩展.在这种理想的组织及在表面附近引入压应力的共同作用下，板材整体的延伸率和成形性均有提高。

1.2.1表面纳米化层的力学及摩擦学性能

Tao等[4]利用纳米压痕仪和纳米划痕仪研究了纯铁表面纳米化后对材料硬度、弹性模量以及摩擦磨损性能的影响,结果显示最表层硬度达到3.8GPa,是粗晶基体的2倍。

样品在320℃退火处理1h后,虽然残余应力降低,但其硬度没有变化,而经650℃退火处理1h后,硬度降到与基体相同,此时纳米晶发生再结晶长大。

这表明硬度的增加是因为晶粒细化到纳米尺度,而不是由于SMAT介质（弹丸和其他杂质）的合金化及残余应力等因素的影响。

王镇波等[5]利用往复式摩擦试验机研究了表面纳米化对低碳钢摩擦磨损性能的影响,结果显示SMAT样品中纳米结构表层的磨损体积小于未处理样品的磨损体积,不同载荷下的摩擦系数明显小于原始样品的摩擦系数（约为后者的1/2）,表面纳米化可以提高低碳钢在中低载荷作用下的耐磨性。

Liu等[6]对经双面SMAT处理的低碳钢进行了拉伸试验,结果显示其屈服强度提高了35%,且断裂延伸率不变。

最近的研究表明[7]：

316L奥氏体不锈钢经表面纳米化后,拉伸屈服强度达到了1450MPa,是粗晶的6倍,仍然满足H2P关系式。

这种表面纳米化后高屈服强度的现象主要是由于纳米晶粒的存在阻碍了位错的运动,材料表层的强度明显高于心部从而阻断了滑移的发展,将裂纹源阻隔在表面层以内,提高了材料的强度。

1.2.2表面纳米化对抗疲劳性能的影响

材料经过表面纳米化处理之后,表层形成的组织均一、性能均一的纳米晶层可以有效地抑制疲劳裂纹的萌生,同时表面形成的压应力层也有助于提高材料的抗疲劳性能。

李东等[8]利用表面机械研磨技术,在SS400钢焊接接头表面形成了尺寸均匀、晶粒取向呈随机分布的纳米晶组织,实现了焊接接头表层硬度的均匀化,表层硬度明显高于内部,从而消除了对接接头表层组织的不均匀性,使焊接接头表面的拉应力变为压应力,提高了焊接接头的抗疲劳性能。

1.2.3表面纳米化层的耐蚀性能

金属材料表面纳米化以后,表面的纳米晶体材料中含有大量能量较高的亚稳定态晶界,表面活性较高,