工业纯铁表面纳米化与渗氮及其力学行为研究.doc

工业纯铁表面纳米化与渗氮及其力学行为研究表面纳米化是基于一些机械、物理或化学的方法在金属材料表面上制备出一定厚度的纳米晶层的方法。采用表面机械研磨处理(SMAT)可在金属材料上制备出纳米结构的表层而不改变材料的整体结构和化学成分。通过这种处理方式不仅可以使材料的表面具有纳米材料独特的机械性能,而且还能利用纳米材料中高密度的晶界来降低材料的渗氮温度并加速渗氮过程。目前大量的实验和理论研究主要集中在材料表面纳米化后的低温渗氮行为与表面性能上,而关于表面纳米化渗氮处理后材料力学行为的研究仍十分有限。本文首先对工业纯铁进行表面机械研磨处理(SMAT),然后把SMAT样品和原始粗晶样品放在500℃下流动的高纯氨气氛中氮化5h。利用光学显微镜、X射线衍射、扫描电镜及透射电镜等对SMATFe组织结构进行分析。并针对以往研究的不足,对纯铁表面纳米化渗氮后的拉伸行为进行了仔细的观察与分析。表面机械研磨处理后纯Fe样品表层形成一层约100μm厚的塑性变形层,最表层晶粒尺寸约为15nnm且呈随机取向分布。晶粒尺寸沿厚度方向呈梯度变化,表层硬度显著提高,并随深度的增加而减小。拉伸试验表明,表面纳米化纯铁的屈服强度较粗晶纯铁明显提高,塑性有所下降；断口形貌为韧性断裂与脆性断裂并存,纳米结构表层表现为脆性断裂,基体表现为韧性断裂。表面纳米化纯铁在500℃渗氮5h后,表层氮化物厚度和硬度较粗晶渗氮样品都有所提高,最表层化合物组织为ε-Fe2-3N相,晶粒尺寸约为10-40nm；在化合物层以下的次表层中有大量亚微米级别的颗粒状ε-Fe2-3N相析出；针状γ’-Fe4N相的析出被强塑性变形所抑制。拉伸试验表明,表面纳米化纯铁渗氮后,相较于粗晶渗氮样品具有更高的强度和塑性。表面纳米化渗氮纯铁可能的强化机制为细晶强化、固溶强化、弥散强化以及加工硬化。其良好的塑性源于表面纳米化预处理可以抑制较大针状的γ’-Fe4N相的析出、细晶强化及细小颗粒状弥散分布的氮化物等。