纳米晶钢的高温热稳定性研究

发布时间：2017-08-02 22:04

  本文关键词：纳米晶钢的高温热稳定性研究

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【摘要】：纳米晶体材料因其细小的晶粒尺寸(100 nm)而展现出了独特的物理和机械性质。比如与传统的多晶材料相比,纳米晶材料拥有超高的强度/硬度,高的韧性,低的弹性模量和延展性。尽管如此,纳米晶体材料通常表现出较差的热稳定性,大大限制了其的高温应用。因此,纳米晶晶粒长大及其控制问题一直是纳米科学与技术领域研究的热点问题。本文以广泛应用的304奥氏体不锈钢为研究对象,通过高能球磨法制备304纳米晶不锈钢以及添加1 at.%Y溶质原子的304纳米晶不锈钢固溶体合金。接着在6 GPa不同温度下对样品做1 h等温退火热处理,探究热处理过程中样品微观结构及力学性能的变化,探究第二相溶质原子对晶粒的稳定化作用及热稳定性机制。研究发现仅添加1 at.%溶质原子Y便可有效的抑制晶粒长大,稳定纳米晶晶粒尺寸至1000℃(0.71 Tm)高温,而相同热处理温度下304样品的平均晶粒尺寸已达到680 nm;在1200℃(0.85 Tm)热处理后304+1 at.%Y样品的平均晶粒尺寸仅为205 nm,而304样品的晶粒尺寸已接近微米级。在较低温度下(600℃),由于晶界的移动能力相对较弱,因此304和304+1 at.%Y样品晶粒尺寸相对纯铁稳定主要是由合金钢中溶质原子(Cr、Ni、Y等)的拖曳引起的;而在高温下(600℃),304+1 at.%Y样品优异的热稳定性主要是Y溶质原子晶界偏聚降低了晶界能,进而提供的热力学稳定引起的。由于Y溶质原子的晶粒稳定化作用,因此在高温下304+1 at.%Y样品的硬度值均高于相同热处理温度下304样品的,且硬度随热处理温度的下降也更为缓慢。在1000℃退火热处理后,304+1 at.%Y样品的屈服强度高达2649 MPa,较304样品提高了近1倍,较粗晶304更是提高了近6倍;极限抗压强度较304样品也提高了近55%,展现出了良好的力学性能。通过以上研究,我们制备得到了具有高热稳定性、高强度的纳米晶合金钢。这就为新一代高热稳定性、高强度纳米晶合金钢的设计合成提供了新的途径,因此具有重要的理论和实用意义。
【关键词】：纳米晶钢 热稳定性 晶粒长大 晶界偏聚 高强度
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142.1;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 纳米材料的分类11-13
• 1.3 纳米材料的结构特征13-14
• 1.4 纳米材料的制备方法14-18
• 1.4.1 惰性气体冷凝法14-15
• 1.4.2 机械合金法15-16
• 1.4.3 电沉积技术16-17
• 1.4.4 非晶晶化法17
• 1.4.5 大塑性变形法17-18
• 1.5 金属纳米晶材料的热稳定性18-22
• 1.5.1 纳米晶体材料的稳定机制19-20
• 1.5.2 动力学稳定纳米晶晶粒尺寸20-21
• 1.5.3 热力学稳定纳米晶晶粒尺寸21-22
• 1.6 选题意义及研究内容22-24
• 第2章 实验过程及分析方法24-32
• 2.1 实验原料24
• 2.2 高能球磨法制备纳米不锈钢合金粉24-25
• 2.3 高温高压热处理25-28
• 2.3.1 高温高压设备25-26
• 2.3.2 高压实验方法26-28
• 2.4 试样分析检测方法28-29
• 2.4.1 X射线衍射（XRD）分析28
• 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）分析28-29
• 2.4.3 差示扫描热分析（DSC）29
• 2.5 力学性能测试29-32
• 2.5.1 纳米压痕硬度分析29-31
• 2.5.2 维氏硬度分析31
• 2.5.3 压缩实验分析31-32
• 第3章 实验结果与分析32-51
• 3.1 X射线衍射分析32-33
• 3.2 晶格常数及X射线晶粒尺寸分析33-38
• 3.3 退火后残余应力分析38-43
• 3.4 DSC曲线分析43
• 3.5 透射电子显微镜分析43-49
• 3.6 本章小结49-51
• 第4章 力学性能分析51-62
• 4.1 纳米压痕硬度分析51-54
• 4.2 硬度的反Hall-Petch关系54-57
• 4.3 位错密度与晶粒尺寸对硬度的影响57-58
• 4.4 压缩力学性能分析58-61
• 4.5 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-69
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果69

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本文编号：611397