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工业纯铁表面自纳米化改性研究

作　者: 王越田
导　师: 盛光敏
学　校: 重庆大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 表面自纳米化纯铁高能喷丸扩散合金化
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

不锈钢由于具有良好的耐腐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能,在各领域应用广泛,但是相应的其价格也比普通钢铁材料昂贵的多;在实际使用中,材料的失效大多发生在材料的表面,如材料的腐蚀和磨损等;所以在一些只需要表面达到不锈钢性能的场合,用一定方法制造出良好力学性能和抗腐蚀性能的表面结构比全部用不锈钢能节省大量合金用量,从而大大降低生产成本。本文就是基于这种理论基础,在经表面自纳米化工业纯铁表面渗入Cr、Ni元素,使纯铁表面层的成分达到或接近不锈钢的水平,心部仍保留为纯铁,这样既满足了不锈钢环境下的需要,又节省了很大的成本和资源,对实际工程应用有很大意义。通过高能喷丸处理,在纯铁棒样的端面上制得了纳米晶粒尺寸的表面层结构。由于表面自纳米化纳米组织中含有高体积分数的晶界,能够为原子扩散提供大量通道,同时纳米组织中具有较高的吉布斯自由能,降低了原子的扩散激活能,有利于提高扩散过程中原子的扩散系数。对纯铁表面纳米层进行了表征,研究了纳米层的热稳定性和变形层深度与喷丸时间之间的关系。对喷丸后的试样在600℃~850℃温度范围内进行了单Ni扩散和Cr-Ni共扩散处理以实现纯铁表面的合金化。扩散前后试样的结构特征通过光学显微镜、X-射线衍射仪和扫描电镜进行了表征,扩散后试样中合金元素的浓度分布通过能谱仪加以测量。对扩散后表面合金层的硬度和耐腐蚀性能也进行了研究。研究表明,随着喷丸时间增加,纯铁表面变形层厚度不断增加,喷丸处理时间达到6min,试样表层的晶粒被细化至纳米数量级,变形层厚度达到135μm左右,晶粒尺寸从表面至纵深随深度增加而不断增加,喷丸处理时间超过6min,变形层的厚度不再明显增加。纯铁的高能喷丸组织在600℃以下温度退火时,有相对较好的热稳定性。在600℃~850℃扩散Ni或Cr-Ni处理后,试样最表层纳米晶粒和变形层晶粒都有不同程度的长大,影响了纳米晶粒对原子扩散的积极作用;在介于中间温度的扩散效果相对较好,形成了10μm左右的合金层。扩渗处理后试样表面的硬度有很大提高,且在40μm的范围内下降迅速,直至基体的硬度。高能喷丸处理后纯铁试样表面的耐蚀性较原始试样有所降低,再经过扩散处理后,耐蚀性有较大提高,高于原始试样。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
1 绪论  9-21
  1.1 引言  9-10
  1.2 金属材料表面纳米化  10-12
    1.2.1 表面自身纳米化的基本原理与制备方法  10-11
    1.2.2 表面自纳米化的应用  11-12
  1.3 金属材料表面合金化  12-14
    1.3.1 金属表面合金化分类  13
    1.3.2 金属表面合金化的功能  13-14
  1.4 金属中原子的扩散  14-19
    1.4.1 扩散处理的分类及目的  14
    1.4.2 金属中原子的扩散过程  14-15
    1.4.3 金属中原子扩散机制  15-17
    1.4.4 影响扩散过程的主要因素  17-19
  1.5 本课题研究方案及研究内容  19-21
2 实验材料及方法  21-29
  2.1 实验材料  21-23
    2.1.1 工业纯铁  21-22
    2.1.2 扩散源  22-23
  2.2 实验方法及设备  23-29
    2.2.1 试样的制备  23-24
    2.2.2 高能喷丸试验  24-25
    2.2.3 热稳定性试验  25
    2.2.4 扩散试验  25-28
    2.2.5 金相观察  28
    2.2.6 显微硬度测试  28
    2.2.7 X 射线衍射分析  28
    2.2.8 扫描电镜观察  28
    2.2.9 耐腐蚀性测定  28-29
3 纯铁表面自纳米化及其表征  29-47
  3.1 金相观察  29-33
    3.1.1 金相观察结果  29-31
    3.1.2 金相观察结果分析  31-33
  3.2 扫描电镜观察  33-36
    3.2.1 纵断面组织观察  33-36
    3.2.2 扫描电镜观察结果的分析  36
  3.3 纯铁表面自纳米化的晶粒细化过程  36-37
  3.4 表面纳米层结构的热稳定性  37-39
  3.5 X 射线衍射分析  39-43
    3.5.1 不同时间喷丸试样X 射线衍射分析  40
    3.5.2 晶粒尺寸和微观畸变测定  40-42
    3.5.3 退火后组织X 射线衍射分析  42-43
  3.6 显微硬度测试  43-45
  3.7 本章小结  45-47
4 纳米化纯铁表面镍铬元素扩散  47-67
  4.1 镍箔做扩散源的扩散结果与分析  47-58
    4.1.1 微观组织观察与分析  47-51
    4.1.2 扩散层的表征  51-54
    4.1.3 Ni 原子在Fe 中的扩散动力学  54-58
  4.2 不锈钢片做扩散源的扩散结果与分析  58-63
    4.2.1 微观组织观察与分析  58-60
    4.2.2 扩散层的表征  60-63
  4.3 铬镍粉末做扩散源的扩散结果与分析  63-65
    4.3.1 扩散层的表征  63-64
    4.3.2 扩散结果分析  64-65
  4.4 本章小结  65-67
5 扩散层性能表征  67-75
  5.1 扩散层X 射线衍射分析  67-68
  5.2 扩散层硬度分析  68-71
  5.3 扩散层表面耐腐蚀性能  71-74
    5.3.1 不锈钢耐腐蚀性机理  71
    5.3.2 极化曲线测试结果与分析  71-74
  5.4 本章小结  74-75
6 结论  75-77
致谢  77-79
参考文献  79-83
附录  83

工业纯铁表面自纳米化改性研究

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