金属超声表面滚压加工纳米化研究

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1、摘要本文采用天津大学材料加工系研制的TJUH．I型超声表面纳米加工处理装置对以40Cr钢为主的金属材料进行滚压加工处理。利用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对滚压加工后的样品表层不同深度的微观结构进行分析，采用X．射线衍射仪(XRD)测定了沿加工影响层深度方向的残余应力分布，用高精度电感式粗糙度仪对加工后的样品表面粗糙度进行测定，用显微硬度计分析滚压加工后样品的硬度随厚度方向的变化关系。前端固定的加工头被可以自由滚动的硬质合金球替代，这样以来，加工头的滑动摩擦就被滚动摩擦和较小程度上的滑动摩擦代替，加工头的磨损速率就可以显著

2、降低。本文所得主要结果如下：(1)经超声表面滚压加工处理后，在40Cr钢的表层一定深度形成了等轴纳米晶结构，晶粒取向呈随机分布，并且在靠近表面的区域观察到纳米晶周围被不定形态结构包围。加工后的试样初始晶粒尺寸得到了很大程度的细化，表面晶粒尺寸为4．65．7．39nm，而纳米层的厚度达到1509m。(2)经超声表面滚压加工处理后，40Cr钢的表层形成光洁的表面，表面质量明显提高，表面粗糙度降低至纳米级。(3)经超声表面滚压加工处理后，40Cr钢的表面硬度与心部相比显著提高，且硬度值随着距表面距离的增大而减小。(4)经过超声表面滚

3、压加工，试样表面被引入了较大值的残余应力，其中在表层较大深度范围内以残余压应力为主，在靠近表面的区域压应力的大小远超过简单拉伸试验的屈服强度。这种现象的出现与材料的力学性能，应力状态密切相关。关键词：纳米材料超声表面滚压加工x．射线衍射残余应力ABSTRACTInourresearch．theTJUH_Iultrasonicsurfacerollingextrusion(USRE)processingtreatmentequipmentthatwasinventedbyourselveswasappliedtothetreat

4、mentsof40Crsteelandtheotherkindsofmetal．Themicrostructuresofthesamplesurfaceandsub—surfacewerestudiedbyHRTEM．ThemeangrainsizeandresidualstressofthetreatedsamplewerecalculatedfromXRD．Ascanningelectronmicroscope(SEM)(XL30ESEM)wasusedtoexaminethemicro-structuraldevelop

5、mentalongthesectionperpendiculartOthetreatedsurfaceofthespecimen．Roughnessofthesurfacewasmeasuredbyhigh—resolutionsurfaceroughnessmeasuringinstrument．Micro-hardnesstesterwasusedtodeterminemicro．hardnessvariationaIongdepth．Frontfastentipwasimprovedbysintered．carbideb

6、allthatcanrollfreelvsothatthewearoftipcoulddiminishobviously．Ourworkdrawsthosefollowingconclusions：1)Anano—crystallisedlayerwhichis150p．mthickisrealizedonquenchedandtempered40Crbyultrasonicsurfacerollingextrusionprocessing(USRE)．AfterUSREtreatment，theinitialcoarse—g

7、rainedstructureinthesurfacelayerwasrefinedintoequiaxedultrafinegrains(4．65—7．39nm)withrandomcrystallographicorientations．2)AfterUSREtreatment，thesurfaceroughnesscanreducetonano。scaleof50nm．Meanwhile，Micro·hardnesstestermeasurements’indicatethathardnessisenhancedinth

8、enano-crystallisedsurfacelayerrelativetothematrix。Asthedepthincreases，themicro-hardnessdecreasesdramatically．3)Thisprocessinduceslargeresi