模具钢表面纳米化处理后的微观组织与性能研究

发布时间：2017-10-10 05:03

  本文关键词：模具钢表面纳米化处理后的微观组织与性能研究

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【摘要】：热作模具钢因其具有各种优异的性能而受到广泛的关注,比如良好的红硬性、耐磨性、热疲劳性、淬透性和韧性和耐熔损性等,广泛地使用在金属模铸、热挤压和热锻等行业,3Cr2W8V钢因其良好的强韧性匹配成为国内外应用最广的一种热作模具钢。3Cr2W8V热作模具钢主要的化学成分(wt.%)如下：C0.30～0.40, Si≤0.40, Mn≤0.40, Cr2.20～2.70, W7.50～9.00, V0.20～0.50, p≤0.030, S≤0.030,余量为Fe。本文采用旋转加速喷丸设备(RASP)对3Cr2W8V热作模具钢进行表面纳米化处理。利用白光共聚焦分析系统、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等表征手段,对RASP处理后模具钢的微观组织结构进行了表征；利用纳米压痕仪测量了模具钢的显微硬度随着距处理表面深度不同的变化情况；并研究了模具钢表面处理前后摩擦磨损性能的变化情况,结合扫描电镜(SEM)观察摩擦磨损后形貌。主要结论如下：(1)旋转加速喷丸处理45min在样品表面产生剧烈的塑性变形。在3Cr2W8V热作模具钢表面形成了晶粒取向呈随机分布的等轴状纳米晶组织。最表面平均晶粒尺寸约为30nm。随着距处理表面深度的增加,应变和应变速率逐渐减小,塑性变形量也逐步降低,样品表面形成纳米梯度结构。TEM微观组织观察表明,晶粒细化由位错行为主导。靠近基体部分以位错墙和位错缠结结构为主,随着应变量的增加形成位错胞状结构。位错胞进一步演化为片层状亚晶组织。最终在表面形成随机取向的等轴纳米晶粒。(2)与原始试样的基体显微硬度(约7.3Gpa)相比,RASP处理的模具钢表面显微硬度显著增大,RASP处理45min的样品表层硬度最高增加至约9.4Gpa,显微硬度随着距处理表面距离的增大呈逐渐降低的趋势,直至与基体相同。(3)将旋转加速喷丸处理45min后的模具钢分别在不同载荷和同一载荷距处理表面不同深度的条件下进行摩擦磨损实验。研究发现,在低载荷及中等载荷作用下,RASP处理后的模具钢的摩擦系数明显降低,耐磨性强于原始样品。在干摩擦的条件下,RASP处理后的模具钢表面的平均摩擦系数由基体的0.888降至近表面(10μm)的0.625,近表面(10μmm)磨损量和磨损率相比基体分别下降了77.6%和53.6%,耐磨性能得到了明显的提高。(4)研究表明,处理时间对于模具钢的组织和显微硬度有很大影响。处理时间增长有助于晶粒细化,但处理时间过长可能使表面温度升高,内部组织发生回复再结晶,使得纳米晶粒长大。实验证明旋转加速喷丸处理45min可以获得最细小的表面组织,处理效果最佳。
【关键词】：表面纳米化 模具钢 旋转加速喷丸 微观组织 力学性能
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 纳米结构材料的简介10-13
• 1.1.1 纳米结构材料的定义10
• 1.1.2 纳米结构材料的制备方法10-13
• 1.2 金属材料表面纳米化13-18
• 1.2.1 金属材料表面纳米化的概述13-14
• 1.2.2 金属材料表面纳米化的技术优势及应用14-15
• 1.2.3 塑性变形致金属材料表面纳米化15-16
• 1.2.4 表面纳米化的常见方法16-18
• 1.3 表面纳米化对材料力学性能的影响18-19
• 1.3.1 表面纳米化对金属材料耐磨性的影响18-19
• 1.3.2 表面纳米化对金属材料硬度、拉伸等性能的影响19
• 1.4 不同典型金属材料的晶粒细化机制19-21
• 1.5 选题意义和研究内容21-22
• 第二章 样品制备和实验方法22-31
• 2.1 样品制备22-24
• 2.1.1 实验材料22
• 2.1.2 RASP样品制备22-24
• 2.2 分析与测试方法24-31
• 2.2.1 光学显微镜观察24-25
• 2.2.2 扫描电子显微镜观察25
• 2.2.3 X射线衍射分析25-26
• 2.2.4 透射电子显微镜观察26-28
• 2.2.5 显微硬度测量28
• 2.2.6 表面粗糙度测量28-29
• 2.2.7 摩擦磨损的设备29-31
• 第三章 模具钢表面纳米化后组织与性能研究31-39
• 3.1 前言31
• 3.2 模具钢表面纳米化后的微观组织结构观察31-37
• 3.2.1 模具钢表面纳米化后的金相观察31-32
• 3.2.2 模具钢表面纳米化后微观组织的变化32-36
• 3.2.3 模具钢表面纳米化后XRD分析36-37
• 3.3 模具钢表面纳米化后显微硬度的变化37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第四章 表面纳米化对模具钢摩擦磨损性能的影响39-49
• 4.1 引言39
• 4.2 摩擦磨损基本理论39-40
• 4.2.1 摩擦系数39-40
• 4.2.2 磨损量40
• 4.3 磨损基本形式40-41
• 4.4 磨损的衡量方法41
• 4.5 磨损试验41-43
• 4.5.1 试样的准备41-42
• 4.5.2 摩擦磨损试验方案42-43
• 4.6 磨损实验结果与分析43-48
• 4.6.1 旋转加速喷丸处理后模具钢的磨损机制43-44
• 4.6.2 摩擦系数44-47
• 4.6.3 磨损量47-48
• 4.7 本章小结48-49
• 第五章 模具钢表面纳米化不同处理时间后组织及力学性能的研究49-61
• 5.1 前言49
• 5.2 实验设备的工艺参数49-50
• 5.3 模具钢表面纳米化不同处理时间截面金相组织分析50-51
• 5.4 模具钢表面纳米化不同处理时间微观结构的变化51-55
• 5.5 模具钢表面纳米化不同处理时间后XRD分析55-56
• 5.6 模具钢表面纳米化后表面性能的研究56-59
• 5.6.1 模具钢表面纳米化不同处理时间后表面粗糙度的变化56-58
• 5.6.2 模具钢表面纳米化不同处理时间后硬度的变化58-59
• 5.7 本章小结59-61
• 第六章 结论61-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-68
• 附录68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张俊宝;王爱香;梁永立;;表面机械研磨纳米化GCr15钢摩擦磨损性能研究[J];宝钢技术;2011年02期

2 刘刚,雍兴平,卢柯;金属材料表面纳米化的研究现状[J];中国表面工程;2001年03期

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本文编号：1004450