q235低碳钢表面纳米化及离子注入的研究

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1、太原理．

2、=人：学硕十研究生学位论文Q235低碳钢表面纳米化及离子注入的研究摘要材料的失效很多是发生在表面，如疲劳、腐蚀和磨损等都对材料的表面性能极其敏感，表面改性技术在工业上已经得到了广泛的应用。纳米晶体材料由于晶粒尺寸小、界面密度高，表现出独特的力学、物理和化学性能而备受关注。若在材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化(SNC)，就可以利用纳米材料优异的功能特性来提高材料的性能和服役行为。随着对表面工程和纳米材料研究的不断深入，将表面改性技术与纳米技术相结合逐渐得到了人们的重视。通过表面机械研磨处理(SMAT)在

3、Q235低碳钢表面制备出了一层厚度约为209m的全致密、无污染的纳米晶组织。运用金相显微镜、x射线衍射、透射电子显微镜等分析测试技术对SMAT后低碳钢的微观组织结构进行了表征。然后对表面纳米化处理前后的低碳钢在金属蒸气弧源(MEVVA)离子注入机上进行了Ti离子注入，运用俄歇电子能谱仪分析了离子注入后Ti沿样品表面的深度分布，研究了低碳钢表面纳米化预处理对离子注入的影响。最后，对低碳钢SMAT过程进行了数值模拟，计算了低碳钢SMAT时表面层的应变、应变速率及应力，探讨了SMAT时应变速率对低碳钢形变机制和晶粒细化机理的影响。研究结果如

4、下：太原理：l：大学硕十研究生学位论文1．SMAT后低碳钢样品表层形成等轴、取向随机的纳米晶组织，平均晶粒尺寸约为10～20nm。SMAT塑性变形随着距离样品表面深度的增加而逐渐减小，塑性变形沿各个方向随机发生。变形表面层的微观组织随着距离样品表面深度的增加呈梯度变化，依次可以分为：纳米晶层，亚微晶层和过渡层。SMAT样品表面层的应变、应变速率和应力沿深度方向也呈梯度变化。SMAT时样品表面层的变形过程主要经过二个阶段：弹塑性变形阶段和动态回复阶段。2．Ti注入Q235钢后，浓度基本上均服从Guass分布，经过表面纳米化处理的样品，注

5、入元素浓度相比未经处理的有了很大的提高，而离子注入的深度则变化不大。3．塑性变形时的应变量和应变速率对于样品晶粒细化和处理后最终晶粒尺寸的大小起重要的作用。研究结果表明，SMAT时样品最表面层的应变速率最大可达681S～。4．SMAT低碳钢的处理时间以45～90min为佳。SMAT样品表面组织不可能随着处理时间的增长而持续细化。5．SMAT低碳钢样品的表面硬度明显增大，样品表面纳米晶层的显微硬度比心部基体的提高了三倍以上，随着距离样品表面深度的增加，硬度值逐渐减小。SMAT后样品表面层形成较大的残余压应力。关键词：低碳钢，表面纳米化，

6、离子注入，晶粒细化，塑性变形，应变速率l太原理I：人。学顶十研究!

7、三。学何沦文INVESTIGATIoNONSURFACENANoCRYSTALLIZATloNANDIoNIMPLANTATIONOFQ235LOWCARBONSTEELABSTRACTMostfailuresofmaterialsoccuronsurface，includingfatiguefracture，COl‘rosionandwearetc．，whichareverysensitivetomicrostructureandpI‘opm’tiesofthesu

8、rface．Asaresult，thesurfacemodificationofengineeringmaterialsisfoundtoprocessmoreandmoreindustrialapplications．Nanocrystallinematerialshaveattractedconsiderableinterestbecauseoftheirnovelmechanical，physicalandchemicalpropertiesOl‘iginatingf'romalargevolumefractionofgrain

9、boundariesorinterfaceswithrespecttotheconventionalcoarse—grainedpolycrystallinematerials．Itisexpectedtoachievesurfacemodificationbythegenerationofananostructuredsurfacelayer，referringassurfacenanocrystallization(SNC)，SOthatthepropertiesandbehaviorofmaterialsaresignifica

10、ntlyimproved．Withtheincreasingdevelopmentofsurfaceengineeringandnanotechnology，moreandmoreresearchesfocusonthe