40cr钢表面纳米化组织结构与力学性能研究

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1、摘要本研究采用超音速粒子轰击技术分别在调质态和淬火回火态40Cr钢表面制备了纳米晶表面层。采用扫描电镜、x射线分析、透射电镜、原子力显微镜、显微硬度和纳米压痕技术，研究了表面纳米晶层的组织结构和力学性能，探讨了超音速粒子轰击表面纳米化机理、渗碳体第二相对铁素体基体纳米化的影响。实验观察和研究表明，调质态40Cr钢表面纳米化处理后，可分为纳米晶表面层、过渡区和基体三部分。纳米晶层中晶粒尺度随着表面到基体深度的增加而逐渐增大，表面的晶粒直径为3nm一5nm，小于其他表面纳米化方法得到的晶粒粒径。这可能是由于本方法在材料表面造成的局部强烈的塑性变形区域小，另外材料内部的渗碳体细晶粒抑制

2、了晶粒长大。表面纳米晶层中渗碳体和铁素体晶粒均被细化达到纳米级，纳米级渗碳体的品粒尺寸略小于铁素体晶粒。过渡区中渗碳体的晶粒为纳米级，铁素体同时包含纳米级晶粒和100nm以上的品粒。过渡区中可见大量的位错线、位错带和位错网。邻近过渡区的基体中含有大量的位错线、位错网，但铁素体晶粒和渗碳体晶粒均不是纳米晶。淬火回火态40Cr钢表面纳米化难度大，渗碳体板条垂直于纳米化表面的晶粒比渗碳体板条平行于纳米化表面的晶粒更难细化。在其纳米晶表面层中，渗碳体晶粒和铁素体品粒均被细化达到纳米级，表面的平均粒径尺寸为4nm。在表面纳米层中同时存在大量微裂纹。研究发现，超音速粒子轰击表面纳米化的机理可

3、能为：第一，在超音速粒子轰击下表面层晶粒发生强烈的局部塑性变形，形成位错和孪晶；第二，位错形成位错列、位错带和位错网，相互交织、缠结，割裂渗碳体和铁素体晶粒；第三，渗碳体和铁素体发生迁移和扭转，形成取向完全随机分布的纳米晶表面层。渗碳体第二相晶粒在表面纳米化过程中超阻碍塑性变形和传递能量的双重作用，渗碳体在细化过程中可能发生溶解进入铁素体，细化后在强烈塑性变形作用下发生扭转和迁移，分布更加均匀弥散。力学性能试验结果表明，调质态40Cr钢表面纳米化处理后，纳米晶表面层的显微硬度高达525MPa，为基体显微硬度的2倍，并随着从纳米化表面层到基体深度的增加显微硬度迅速降低。纳米晶表面的

4、纳米硬度值高达8．0GPa，为基体的3倍。纳米硬度从表面到基体的降低是逐渐过渡的，不存在明显的分界界面。弹性模量略高于基体，超音速轰击对材料表面产生压应力引起的原子间距减小可能是原因之一，材料内部的宏观内应力也可能是弹性模量升高的原因之一。在距表面32岫处产生．“1MPa的最大轴向残余压应力：在距表面15lam处产生．466MPa的最大环向残余压应力。表面250岬以下，残余压应力转变为拉应力。残余应力的影响深度为376p．m。关键词：表面纳米化，40Cr钢，组织结构，力学性能，纳米化机理!．．．兰生銮鎏△兰苎圭量些兰望生ABSTRACTNano—structuredsurface

5、layerswerefabricatedonaquenchedandhightemperaturetempered40Crsteelaswellasonaquenchedandlowtemperaturetempered40Crsteelbyasupersonicmicrosizedparticleshotpeening(SMPSP)method，respectively．SEM，XRD，TEM，AFM，micro—hardness，andnano—indentationtechniqueswereusedtoobservemicrostructureandanalyzemech

6、anicalpropertiesofthenano—structuredsurfacelayers．Possiblemechanismofnano—crystallizationinducedbythesupersonicmicrosizedparticlesshotpeeningmethod，togetherwitheffectofthesecondphase，cementite，onnano。crystallizedbehaviorofferritematrixhasalsobeendiscussed．Experimentalobservationsindicatethats

7、urfacelayeronthequenchedandhightemperaturetempered40CrsteelafterSMPSPtreatmentcanbedividedintOthreesublayers，suchassurfacenanocrystallitesublayer，transitionfieldsublayer,andmatrixsublayer．DiameterrangeofcrystalsonthesurfaceiSabout3nmto5nm，whi