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表面机械滚压处理(SMRT)316L不锈钢梯度纳米层在腐蚀介质下的摩擦学行为研究

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摩擦学学报 2020年第6期40卷 746-753页

作者：沈明学容康杰刘德佳熊光耀李春红王效贵华东交通大学材料科学与工程学院江西南昌330013 浙江工业大学机械工程学院浙江杭州310032

采用表面机械滚压处理(surface mechanical rolling treatment,SMRT)技术在316L奥氏体不锈钢表面构筑了梯度纳米结构层.利用透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪等分析其微观组织、力学性能等基础上,重点探讨了SMRT前后316L在1 mol/L HCl溶... 详细信息

采用表面机械滚压处理(surface mechanical rolling treatment,SMRT)技术在316L奥氏体不锈钢表面构筑了梯度纳米结构层.利用透射电子显微镜(TEM)和纳米压痕仪等分析其微观组织、力学性能等基础上,重点探讨了SMRT前后316L在1 mol/L HCl溶液(以纯水环境作为对比组)中的摩擦学行为.结果表明:经SMRT加工后316L表面梯度纳米晶层厚度达200μm以上,表面硬化层厚度超过1.5 mm,表面硬度提升至基体近2倍;SMRT大大减缓了材料磨损,与基体试样相比,SMRT试样在腐蚀介质下减摩效果比纯水环境更明显,且在腐蚀环境下表现出优异的耐腐蚀性能,其磨损机制由处理前伴随严重剥落特征的疲劳磨损和磨粒磨损转变为轻微疲劳磨损.因此,316L不锈钢机械滚压梯度纳米层在腐蚀服役环境下具有较高的潜在工程应用价值.

关键词：表面机械滚压处理腐蚀磨损摩擦学行为梯度纳米化结构 316L不锈钢

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表面机械滚压处理T2紫铜的载流摩擦学行为

中国有色金属学报 2023年第2期33卷 521-530页

作者：庄辉季德惠沈明学刘少鹏肖叶龙熊光耀华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室南昌330013 华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室南昌330013

采用表面机械滚压处理(SMRT)技术在T2紫铜棒表面制备出厚度约306μm的梯度纳米细晶结构层(GNG),考察0 A和5 A载流条件下有无SMRT处理(细晶和粗晶)铜棒的往复摩擦学行为,探讨载流条件及SMRT处理对T2紫铜棒载流摩损性能和接触电阻的影响... 详细信息

采用表面机械滚压处理(SMRT)技术在T2紫铜棒表面制备出厚度约306μm的梯度纳米细晶结构层(GNG),考察0 A和5 A载流条件下有无SMRT处理(细晶和粗晶)铜棒的往复摩擦学行为,探讨载流条件及SMRT处理对T2紫铜棒载流摩损性能和接触电阻的影响。结果表明:与粗晶铜棒相比,在0 A和5 A载流条件下,SMRT处理后铜棒的摩擦因数分别从约0.68和0.77降低到约0.35和0.44,分别降低约48.5%和42.9%;磨痕宽度分别从约708.6μm和766.3μm减小到约186.9μm和236.2μm,降幅分别约73.6%和69.2%;表面粗糙度S a从约3.9和5.1下降到约0.18和0.48,降幅分别约为95.4%和90.6%,表明SMRT处理可以显著增强粗晶T2铜棒的耐磨性。SMRT处理前后铜棒的磨损机制由以严重疲劳磨损和磨粒磨损为主转变为以磨粒磨损和氧化磨损为主,此外,SMRT处理后铜棒接触电阻变化幅值显著降低,表现出优异的载流稳定性。

关键词：紫铜表面机械滚压处理载流摩擦磨损梯度纳米结构层载流性能

316L不锈钢在表面机械滚压处理时的形变诱导马氏体相变和组织细化过程

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材料研究学报 2016年第1期30卷 15-22页

作者：许久凌黄海威赵明纯王镇波卢柯中南大学材料科学与工程学院长沙410083 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室沈阳110016 南京理工大学格莱特纳米科技研究所南京210094

采用表面机械滚压处理（SMRT）在316L不锈钢表面制备出梯度纳米结构（GNS）表层,研究了SMRT对GNS表层中的相组成和微观组织演变的影响机制。结果表明：经SMRT后316L不锈钢表层的奥氏体相发生形变诱导马氏体相变,且马氏体含量随着SMRT压... 详细信息

采用表面机械滚压处理（SMRT）在316L不锈钢表面制备出梯度纳米结构（GNS）表层,研究了SMRT对GNS表层中的相组成和微观组织演变的影响机制。结果表明：经SMRT后316L不锈钢表层的奥氏体相发生形变诱导马氏体相变,且马氏体含量随着SMRT压下量的增大而增多;微观组织的细化过程先后经历了高密度位错生成和交互作用、形变孪生、形变诱导马氏体相变和马氏体晶粒细化过程,最终在最表层形成以马氏体相为主、晶粒尺寸~55 nm的纳米晶组织。

关键词：金属材料纳米材料表面机械滚压处理梯度纳米结构 316L不锈钢形变诱导马氏体相变

表面机械滚压处理Ni基合金的微观结构演化及热稳定性研究

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表面机械滚压处理Ni基合金的微观结构演化及热稳定性研究

作者：董巍南京理工大学

学位级别：硕士

本文利用表面机械滚压处理(SMRT)技术在低层错能高密度γ′相强化的Ni基合金中引入梯度纳米结构。在样品表层制备出纳米晶、孪晶和层错-层错交割的结构。运用多种表征技术,重点阐述与分析了Ni基合金在三道次SMRT表面处理过程中的微观结... 详细信息

本文利用表面机械滚压处理(SMRT)技术在低层错能高密度γ′相强化的Ni基合金中引入梯度纳米结构。在样品表层制备出纳米晶、孪晶和层错-层错交割的结构。运用多种表征技术,重点阐述与分析了Ni基合金在三道次SMRT表面处理过程中的微观结构演化。并通过对三道次SMRT处理的Ni基合金进行高温时效处理,探究不同时效温度下层错-层错交割结构的热稳定性,同时分析时效处理前后Ni基合金的物相、微观结构和显微硬度的变化规律。研究结论如下:(1)Ni基合金经过三道次SMRT处理后,在表面产生了250μm深度的梯度纳米结构层,Ni基合金的晶粒细化是通过位错运动、层错-层错交割和孪生共同完成的。(2)三道次SMRT处理Ni基合金产生梯度纳米结构。由表及里的结构依次为:等轴纳米晶,拉长纳米晶,孪晶结构,层错-层错交割结构(γ′相有序化结构被完全破坏),层错结构(γ′相有序化结构未被完全破坏)伴随少量孪晶,位错结构与有序化γ′相共存的结构,粗晶结构。(3)三道次SMRT处理Ni基合金制备出数十微米的层错-层错交割结构。它们之间的层错平均间距大约为6 nm,微观硬度高达6.26 GPa,与固溶样品相比,硬度提升了47.3%。其强化行为表现符合Hall-Petch关系,可通过传统变形结构强化机制解释。(4)层错-层错交割结构不仅具有高的硬度还具有良好的热稳定性,当时效温度由室温升高至700℃,层错间距仅由6 nm变为12 nm,当时效温度升高至780℃,层错间距为18 nm,并未发生显著增加。(5)层错-层错交割结构破坏了γ′相L1超点阵结构,高温时效处理使γ′相L1有序化结构重新出现,即形成了层错-层错-γ′相结构,这种结构使样品的硬度进一步提高的原因是在层错-层错交割结构强化的基础上,重新恢复的γ′相有序化结构增加了层错运动的额外阻力。硬度随时效温度增加呈先升高后下降趋势,当时效温度为700℃时,显微硬度达到最高值为6.88 GPa,当时效温度为780℃,硬度值与未时效处理样品基本相同。

关键词：表面机械滚压处理 Ni基合金微观结构演化层错交割结构热稳定性微观硬度

表面机械滚压处理镍基合金结构演化和元素迁移与扩散行为的研究

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表面机械滚压处理镍基合金结构演化和元素迁移与扩散行为的研究

作者：吴豪南京理工大学

学位级别：硕士

金属材料在严重塑性变形下往往发生显著的晶粒细化,当晶粒细化至亚微米或纳米级别后,其强度可以得到大幅度提高,因此纳米结构金属材料由于其独特的结构和性能关系,成为材料科学研究的热点。通过塑性变形技术,在金属材料中可诱导产生高... 详细信息

金属材料在严重塑性变形下往往发生显著的晶粒细化,当晶粒细化至亚微米或纳米级别后,其强度可以得到大幅度提高,因此纳米结构金属材料由于其独特的结构和性能关系,成为材料科学研究的热点。通过塑性变形技术,在金属材料中可诱导产生高密度缺陷和界面,并且对金属材料的晶粒细化作用产生显著影响。镍基合金被广泛应用于诸如航空航天发动机在内的众多重要领域,如何优化其结构进而提升其性能逐渐成为研究的热点。而诸多镍基合金中均含有γ’析出相,在严重塑性变形过程中,γ’析出相和γ基体相之间存在怎样的相互作用以及如何与结构演化产生相互联系,则为本课题所要研究的另一个重点问题。本工作利用表面机械滚压处理(Surface Mechanical Rolling Treatment,SMRT)技术在低层错能高密度γ’析出相强化的镍基合金中通过8道次的处理得到梯度纳米结构,在样品的应力层中同时制备出纳米晶、孪晶和层错结构。借助于扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、透射电镜(Transmission Electron Microscope,TEM)和能谱(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)等表征方法,揭示在形成梯度纳米结构的过程中该镍基合金的晶粒细化机制。同时参考元素的迁移与扩散概念,解释在这一过程中合金元素的再分布现象和机理。最终得出以下主要结论:(1)SMRT 8道次处理后的镍基合金表层形成了约450μm的梯度变形结构,对材料变形参数拟合结果显示在SMRT加工过程中由表及里所产生的应力和应变速率分布为梯度分布,应变速率最高达1.6×10 s。从心部到表面材料的微观结构大致可分为粗晶结构,层错轻微破坏γ’析出相结构,孪晶严重破坏γ’析出相结构,纳米晶结构,即SMRT处理后的材料最终所呈现的梯度结构源于在加工过程中应力和应变速率的梯度分布。(2)该镍基合金在低应变速率下即可产生层错,随着应变速率的增高,滑移面得以继续开动进而形成孪晶结构。且孪晶的形成为结构演化的关键步骤,最终不同方向上的孪晶彼此交割得到纳米晶结构,平均尺寸为～13 nm。(3)在层错形成区域γ’析出相与γ基体相之间的异质界面上产生缺陷移动,伴随着两相之间原子的相互迁移,造成宏观上两相所含元素量值的改变。在孪晶区域,对γ’析出相更多为直接“切削”作用,造成元素迁移与扩散程度有所下降。最终整个梯度结构材料在宏观上呈现出变形层内均有明显的元素迁移扩散,但随着深度的降低,各个元素的扩散能力减弱的现象。(4)应力诱导的元素迁移与扩散程度类似对合金升温处理,对应的等效扩散温度在1600 K以上,且合金内Co迁移扩散速率大于或接近Al和Ti元素,和热激活下这些元素的扩散速率大小顺序并不一致,从而证实两者的机制并不相同。(5)该镍基合金在SMRT处理过程中的结构演化机制制约了最终的元素迁移扩散程度,且元素的迁移与扩散仅发生在局部微小区域,在整个变形层内并未有元素平均含量的改变。

关键词：表面机械滚压处理镍基合金微观结构演化梯度纳米结构元素扩散

表面机械滚压处理镍基合金的结构演化和拉伸行为研究

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表面机械滚压处理镍基合金的结构演化和拉伸行为研究

作者：张祖赫南京理工大学

学位级别：硕士

本文利用表面机械滚压处理（Surface Mechanical Rolling Treatment,SMRT）技术对一种低层错能的镍基合金进行处理,从而得到梯度纳米结构。通过显微硬度测试、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等多种方法对SMRT样品的显微结构和力学性能... 详细信息

本文利用表面机械滚压处理（Surface Mechanical Rolling Treatment,SMRT）技术对一种低层错能的镍基合金进行处理,从而得到梯度纳米结构。通过显微硬度测试、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等多种方法对SMRT样品的显微结构和力学性能进行表征。根据理论模型估算了各种强化机制的贡献,并与实验结果进行比较。然后对SMRT样品的中温拉伸性能进行研究,并与未处理样品进行比较。通过873 K温度下拉伸后的SMRT样品与未拉伸样品进行透射电镜观察和对比分析,揭示了873 K拉伸过程中梯度纳米结构的变形机制。主要结果如下:（1）镍基合金经过SMRT 8道次处理后,材料表面形成了一层厚度～300μm的梯度纳米结构层。随着处理表面距离的减小,SMRT镍基合金主要微观结构特征由位错、层错等逐渐转化为纳米孪晶,最终转化为纳米晶。（2）梯度纳米结构中最表层纳米晶的尺寸约为30 nm,显微硬度高达～5.5 GPa,纳米晶的强度提升来源于固溶强化、结构强化和固溶原子与晶界相互作用引起的额外强化。经过多个模型的计算得出了不同强化机理对材料整体强度提升的贡献,其中固溶强化占36.5%,结构强化占45.9%,固溶原子与晶界相互作用引起的额外强化占17.6%。（3）拉伸温度从873 K升高到973 K的情况下,表面机械滚压处理样品的工程屈服强度从395 MPa下降到338 MPa,有一定程度的下降;同时断裂延伸率从32.5%增加到87.8%,有很大程度的提升。973 K温度下粗晶样品的工程屈服强度和断裂延伸率分别为235 MPa和92.7%,拉伸强度和表面处理样品相比有很大程度的下降,同时塑性略高于表面处理样品,表明973 K的拉伸曲线有很好的强塑性匹配效果。（4）873 K拉伸后表面处理样品的硬度与拉伸前相比有整体的提高,经过显微结构表征,873 K拉伸后表面处理样品的纳米晶结构发生了一定程度的晶粒长大,晶粒尺寸从30 nm增加到45 nm,纳米晶粒内部出现了大量的纳米孪晶,纳米孪晶结构的内部也出现了大量新产生的孪晶。

关键词：表面机械滚压处理镍基合金微观结构演化力学性能拉伸行为

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机械滚压对304L不锈钢组织和性能的影响

金属学报 2011年第11期47卷 1459-1463页

作者：白涛李东关凯书华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室上海200237 上海工程技术大学材料工程学院上海201620

采用表面机械滚压处理(SMRT)方法,分别在室温空气中和液氮中对304L不锈钢进行处理,制备出了纳米晶表层.用OM,SEM,XRD和TEM对试样组织结构的演变进行了分析;通过测定试样表层到内部的硬度研究了SMRT对试样硬度的影响.结果表明,试样表层... 详细信息

采用表面机械滚压处理(SMRT)方法,分别在室温空气中和液氮中对304L不锈钢进行处理,制备出了纳米晶表层.用OM,SEM,XRD和TEM对试样组织结构的演变进行了分析;通过测定试样表层到内部的硬度研究了SMRT对试样硬度的影响.结果表明,试样表层形成了晶粒取向各异的纳米晶组织,晶粒尺寸与处理环境和处理次数有关.SMRT还使试样内部产生了大量的机械孪晶和内晶界,使试样发生了显著的马氏体相变.硬度显著提高并随距试样表面的距离的增加减小.SMRT与传统的表面纳米化方法相比,可以在不同的温度和介质环境下对试样进行表面纳米化,并能形成较厚的硬化层,而且工业化前景较好.

关键词：表面机械滚压处理 304L不锈钢表面纳米化硬度马氏体转变

预加载荷对表面机械滚压强化残余应力影响的数值研究

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机电工程 2021年第8期38卷 1064-1069页

作者：胡兴远王成李开发王宇星安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001 上海城建职业学院机电工程与信息学院上海201415

为了研究预加载荷对表面机械滚压强化残余应力的影响,建立了表面机械滚压强化AISI 4340钢的三维有限元模型,并提出了一种耦合显式动力学-隐式静力学的计算框架,多步骤模拟了预加载荷作用下的表面机械滚压强化过程。首先,通过施加位移载... 详细信息

为了研究预加载荷对表面机械滚压强化残余应力的影响,建立了表面机械滚压强化AISI 4340钢的三维有限元模型,并提出了一种耦合显式动力学-隐式静力学的计算框架,多步骤模拟了预加载荷作用下的表面机械滚压强化过程。首先,通过施加位移载荷在待滚压模型上,使之产生弹性变形;然后,固定了边界条件,冻结了弹性变形,在此基础上模拟了表面机械滚压强化过程;最后,释放了弹性变形,比较了表面机械滚压强化残余应力的变化。研究结果表明:预加载荷会导致表面机械滚压强化后的板材表层产生不利的残余拉应力,另外与滚压力方向相反的预加载荷会减小滚压强化的最大残余压应力,滚压后释放预加载荷会进一步削弱板材亚表层的残余压应力;因此,在表面机械滚压强化过程中应当避免工件承受预加载荷。

关键词：表面机械滚压处理预加载荷残余应力数值模拟

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气压驱动表面机械滚压设备研发及试验研究

气压驱动表面机械滚压设备研发及试验研究

作者：胡兴远安徽理工大学

学位级别：硕士

“双碳”目标提出以来,汽车、航空和过程机械等工业领域对轻量化设计和制造的要求越来越高,对于高比强度金属材料的需求与日俱增。表面机械滚压处理(Surface Mechanical Rolling Treatment,SMRT)是21世纪研发的一种新型表面处理技术,能... 详细信息

“双碳”目标提出以来,汽车、航空和过程机械等工业领域对轻量化设计和制造的要求越来越高,对于高比强度金属材料的需求与日俱增。表面机械滚压处理(Surface Mechanical Rolling Treatment,SMRT)是21世纪研发的一种新型表面处理技术,能够在传统金属表层制备梯度纳米结构,在不牺牲金属材料塑性的前提下显著提高其韧性,为轻量化设计和制造提供了一种新思路。为了探究SMRT工艺参数对金属表层晶粒细化的影响规律,揭示SMRT制备梯度结构金属材料的变形机制,本文自主研发了一套气压驱动表面机械滚压处理设备,并利用该设备开展了SMRT 1060铝的试验研究。主要研究内容与结论如下:(1)基于WM210V型卧式车床,研发对称滚压装置和气压传动装置,搭建一套气压驱动表面机械滚压处理设备。选用万向滚珠作为机械滚压车刀,前后对称安装在车床刀架上,利用压缩机和气缸驱动车刀挤压圆柱体金属试样,设计控制系统实现车刀的自行往复运动,采用喷雾方式润滑冷却降低车刀与金属表面之间的摩擦和温度。整套设备研发完毕后,开展了气密性检测、静压力测试以及关键零部件的力学分析等,验证了本设备的可行性和有效性。(2)针对主轴转速、驱动静压力、滚压道次,设计正交试验工况表,开展1060铝的SMRT试验研究。结果表明:SMRT能够有效细化1060铝表层的晶粒尺寸,显著提高表层硬度和表面耐磨性。滚压道次对硬度的影响最大,随着深度的增加,静压力开始占据主导地位,转速的影响始终最小。合理的滚压参数会在1060铝亚表面形成一定厚度的硬度层,此硬度层与加工表面的耐磨性相关联。(3)根据SMRT试验工况,建立三维有限元模型,数值模拟SMRT圆棒金属试样过程,发现圆棒试样表层的等效塑性应变分布与试验观察到的晶粒尺寸分布以及硬度分布相一致,揭示了SMRT诱导金属晶粒细化的变形机制。在此基础上进一步开展了预加载荷对SMRT平板金属试样残余应力的影响,发现预加载荷会导致滚压表层产生残余拉应力,滚压后释放预加载荷会使最大残余压应力减小。本文的研究成果可为SMRT设备的研发和梯度结构金属材料的制备提供技术指导和理论支撑,有助于促进SMRT和梯度结构金属材料的工业应用,为新时代轻量化设计和制造技术提供一种新思路。

关键词：表面机械滚压处理滚压设备晶粒细化试验研究数值模拟