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[学位]

应变诱导高锰钢表面纳米化及其磨料磨损行为

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Author:

严伟林 (严伟林.)

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学位论文库

Abstract:

高锰钢在非强烈冲击、载荷较轻磨损条件下,不能充分加工硬化,耐磨性能得不到充分发挥。研究工作通过喷丸技术,对高锰钢表面进行处理,以制备出一层具有纳米晶结构的表层,期望能够以此来提高高锰钢的磨料磨损性能。表面纳米化技术具有成本低、适应性好、用途广泛等明显优势。研究工作讨论了运用传统空气式喷丸机对试验材料进表面喷丸处理的方法,系统研究高锰钢表面纳米化的机制;高锰钢表面纳米化的热力学和动力学行为;预冷加工硬化(喷丸处理)对磨料磨损性能的影响。研究结果表明:经过60 min喷丸,样品表面的晶粒尺寸已细化至3-8 nm。亚表层微观组织可分为三个区域:纳米晶层(表面至-20 μm深度);亚微晶区(20-100 μm);过渡层(100-400 μm)。经过2 min和30min喷丸,样品表面同样获得了纳米晶,晶粒尺寸分别达到了40 nm和30 nm。纳米晶的演化,通过奥氏体粗晶内部位错增殖、湮灭和重组、位错缠结逐渐向位错胞过渡;应变量和应变速率的增加,诱发机械孪生,单系孪晶逐渐向多系孪晶过渡;同时多系孪晶之间的交割作用使晶粒尺寸不断细化;晶粒在位错运动和机械孪生的重复作用下,最终形成等轴状、取向呈随机分布的纳米晶组织。晶粒尺寸随喷丸时间的增加而减小。喷丸处理高锰钢表层明显强化。随层深减小,硬度急剧增加。样品表层的加工硬化主要是由于晶粒细化、位错硬化和孪晶硬化,而与相变硬化无关。样品表面硬度随喷丸时间的增加而增加。以Pringogine的非平衡态热力学理论、Kirchhoff定律和Miedema热力学理论,建立了高锰钢应变诱导纳米晶形成的热力学模型。并采用此模型计算了普通粗晶的高锰钢纳米晶及非晶态的形成自由能变化。普通粗晶的高锰钢纳米晶及非晶态的形成自由能变化为正值,即应变诱导纳米晶和非晶的形成并没有化学驱动力;应变使系统吸收外界的机械能,系统的自由能增加,当增加至一定值时,最终得以向纳米晶或非晶发生转变。在热力学的基础上,通过对喷丸处理后高锰钢亚表层显微硬度的变化和相应晶粒尺寸的关系,建立了纳米化过程的动力学模型,将动力学速度参数表为可测量得到的显微硬度的函数。在两体磨料磨损试验表明,喷丸处理高锰钢表面纳米化,尽管可提高表面硬度,但在硬磨料(如刚玉砂)的磨损试验条件下,耐磨性不能提高,反而下降;而在软磨料(如玻璃砂)条件下的磨损,2-30 min 喷丸处理可以提高耐磨性,尤其2 min喷丸使耐磨性提高70%。冲击磨料磨损试验表明,如采用硬磨料(石英砂),0.5 J冲击载荷条件下,2-30 min喷丸处理可使耐磨性略有提高;而3.0 J冲击载荷条件下,喷丸处理不能提高耐磨性,且喷丸处理时间越长,耐磨性越差。采用较软的玻璃砂磨料,开展静载三体磨料磨损试验,结果表明:2-30 min喷丸处理可提高耐磨性,尤其30 min喷丸处理的耐磨性提高72%。由此看来,小冲击载荷、低磨料硬度的磨料磨损条件,合适时间的喷丸处理,能够进一步提高高锰钢的耐磨性。在这种情况下,“冷作硬化不能提高金属耐磨性”的结论需要进行修正。

Keyword:

高锰钢 磨料磨损 纳米化 喷丸 热力学

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 方亮

Year: 2007

Language: Chinese

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30 Days PV: 5

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