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表面机械研磨及渗氮作用下纯铁显微组织与力学性能研究

作　者: 崔晓倩
导　师: 张辉
学　校: 东北大学
专　业: 材料学
关键词: 表面纳米化 渗氮 纯铁 硬度 力学性能
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


表面机械研磨处理可以在金属材料表面形成一定厚度纳米结构层,而不改变材料的整体结构和化学成分。表面纳米化不仅有效地改善了材料的表面性能,如硬度,摩擦磨损等,而且其所具有的梯度结构还有效提高了材料的整体力学性能。另外,金属材料表面纳米化后表层大量的晶界为氮原子提供了快速扩散通道,可有效降低渗氮温度,加速渗氮过程,从而获得较厚的渗氮层。本文采用表面机械研磨处理(SMAT)的方法对纯铁材料进行表面纳米化,然后对SMAT样品和粗晶样品进行气体渗氮。利用X射线、扫描电镜、透射电镜等对SMAT Fe组织结构及热稳定性进行了分析。研究了表面纳米化后纯铁的拉伸性能以及轧制对SMAT Fe性能的影响。另外,对纳米化纯铁在500℃渗氮后组织及其力学性能进行了研究。主要研究结果如下：表面机械研磨处理后纯Fe样品表层形成了150μm厚的塑性变形层,最表面晶粒尺寸约为10nm,晶粒取向随机分布。最外层硬度显著提高,并随深度增加而减小。表层纳米晶层对位错有阻碍作用及本身缺少可动位错以及细晶层的加工硬化使SMAT Fe的强度比粗晶铁明显提高,延伸率下降；拉伸变形过程中,基体的断裂表现为韧性断裂,表层为脆性断裂。SMAT Fe表层具有很好的热稳定性,在500℃退火2小时,表层晶粒没有明显长大。SMAT Fe经过冷轧处理后,表面粗糙度降低,表面强化层变薄,整体强度明显增加,塑性明显下降；550℃退火后,表层晶粒保持较好的稳定性,基体发生再结晶。经过表面机械研磨处理后,具有纳米结构表层的纯Fe样品经500℃进行气体渗氮后,表层形成一层以ε-Fe3-2N为主的氮化物层,且化合物层的厚度厚于粗晶渗氮样品,说明纳米材料可加速气体渗氮的动力学过程。纳米纯Fe渗氮形成的渗氮层与粗晶渗氮样品相比具有较高的硬度。SMAT Fe渗氮样品的强度明显高于粗晶铁的渗氮样品,但是延率较低。断裂过程中基体表现为韧性断裂,表层为脆性断裂。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章 绪论  11-26
  1.1 金属材料的表面纳米化  11-17
    1.1.1 表面纳米化简介  11-12
    1.1.2 表面纳米化制备方法  12-14
    1.1.3 表面纳米化机理  14-16
    1.1.4 表面纳米化的特点  16-17
  1.2 表面纳米化对金属材料性能的影响  17-20
    1.2.1 力学性能  17-20
    1.2.2 热稳定性  20
  1.3 气体渗氮  20-25
    1.3.1 气体渗氮工艺的发展  20-21
    1.3.2 气体渗氮过程及原理  21-24
    1.3.3 表面纳米化后渗氮的研究现状  24-25
  1.4 本论文研究的目的和意义  25-26
第2章 样品制备和实验方法  26-31
  2.1 实验材料  26
  2.2 实验设备及样品制备  26-27
    2.2.1 表面机械研磨(SMAT)  26-27
    2.2.2 气体渗氮  27
    2.2.3 冷轧实验  27
    2.2.4 退火实验  27
  2.3 结构分析  27-29
    2.3.1 金相分析  27-28
    2.3.2 X-射线衍射(XRD)分析  28-29
    2.3.3 扫描电镜分析  29
    2.3.4 透射电镜分析  29
  2.4 力学性能分析  29-31
    2.4.1 表层硬度测试  29-30
    2.4.2 拉伸实验  30-31
第3章 表面机械研磨纯铁结构及力学性能  31-55
  3.1 表面机械研磨纯铁的组织结构特征  31-34
    3.1.1 表面机械研磨纯铁的横截面形貌  31-32
    3.1.2 表面机械研磨纯铁的XRD分析  32-33
    3.1.3 表面机械研磨纯铁的透射电镜观察  33-34
  3.2 表面机械研磨纯铁的力学性能分析  34-44
    3.2.1 硬度分析  34-35
    3.2.2 拉伸实验  35-44
  3.3 纯铁表面纳米晶热稳定性分析  44-48
    3.3.1 SMAT Fe铁在500℃和550℃退火后组织结构  44-47
    3.3.2 纳米晶热稳定性分析  47-48
  3.4 轧制对表面纳米晶的影响  48-54
    3.4.1 表面粗糙度分析  48-49
    3.4.2 组织形貌观察  49-50
    3.4.3 X射线衍射分析  50-51
    3.4.4 硬度分析  51-52
    3.4.5 拉伸实验  52-53
    3.4.6 热稳定性分析  53-54
  3.5 本章小结  54-55
第4章 表面纳米化纯铁的渗氮及其力学性能  55-67
  4.1 实验条件  55-56
  4.2 气体渗氮样品的组织结构特征  56-58
    4.2.1 渗氮样品的横截面组织形貌  56
    4.2.2 渗氮样品的X射线分析  56-57
    4.2.3 渗氮样品的透射电镜观察  57-58
  4.3 气体渗氮样品的力学性能  58-63
    4.3.1 渗氮样品硬度分析  59
    4.3.2 渗氮样品的拉伸实验  59-63
  4.4 气体渗氮结果分析  63-65
    4.4.1 纳米纯铁的结构特点  63
    4.4.2 N原子在表面纳米化Fe中的扩散  63-64
    4.4.3 纳米结构Fe中氮化物的形核与长大  64-65
  4.5 本章小结  65-67
第5章 结论  67-68
参考文献  68-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 腐蚀的控制与防护 > 金属表面防护技术
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