（固体力学专业论文）316L不锈钢表面纳米化残余应力的分析及对疲劳性能的影响.pdf

贵州人学硕i ：研究生学位论文 中文摘要 材料的组织结构对其性能有着最直接的影响，改变材料的结构是提高其性能 的有效途径之一。纳米材料由于其自身特殊的结构具有许多优异的性能，材料的 特殊性能近年来引起人们的广泛关注。目前已采用多种方法制备了具有传统成分 的纳米结构材料，使传统材料有了新的活力。目前表面纳米化的研究还处于起步 阶段，特别是材料经表面纳米化后产生的残余应力对材料性能方面有何影响的研 究很少。 近年来随着纳米技术的不断进步，表层纳米化技术也得到进一步的发展。纳 米材料越来越多地作为结构材料运用于机械，建筑及高新技术领域中。其力学性 能和疲劳性能是众多性能中最为重要的，表面纳米化后的金属材料产生的残余 应力对其力学性能有何影响是大家都关心的且也尚未有定论。本研究项目将运用 x - 3 5 0 a 型应力测定仪对表面纳米化后的3 1 6 l 不锈钢试件进行残余应力测试。根 据测试出的结果结合材料的疲劳试验数据及理论分析，再经a n s y s 分析验证从而 得出3 1 6 l 不锈钢表面纳米化后产生的残余应力对其性能的影响。 a n s y s 疲劳分析计算结果为：表面纳米化的3 1 6 l 不锈钢在r = 一1 ，s = 2 4 0 m p a 时6 2 7 、4 4 9 7 号节点的疲劳寿命为4 2 0 0 0 、4 11 0 0 ，在循环次数为3 0 0 0 0 次时疲 劳使用系数为0 7 1 4 2 9 、0 7 2 9 9 3 ；未进行表面纳米化3 1 6 l 不锈钢在r = 一1 ，s = 2 4 0 m p a 时6 2 7 、4 4 9 7 号节点的疲劳寿命为n ，= 3 5 1 0 0 、3 4 8 0 0 ，在循环次数为3 0 0 0 0 次时疲劳使用系数为0 8 5 4 7 0 、0 8 6 2 7 0 。经过a n s y s 分析可知3 1 6 l 不锈钢由于 经表面纳米化后产生的残余应力确实使疲劳寿命得到了很大的提高。 关键词：表面纳米化残余应力疲劳寿命力学性能 贵州人学顾i ：研究生学位论文 a b s t r a c t t h eo r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eo fm a t e r i a lp r o p e r t i e sh a v et h em o s t d i r e c ti m p a c to ni t ，m a t e r i a lc h a n g e si f lt h es t r u c t u r ei st oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fo n eo ft h ee f f e c t i v ew a y s n a n o m a t e r i a l sb e c a u s eo fi t s s p e c i a ls t r u c t u r eh a sm a n ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，t h es p e c i a lp r o p e r t i e s o fm a t e r i a l sh a sa r o u s e dp e o p l e sc o n c e r ni nr e c e n ty e a r s h a sb e e n p r e p a r e db y av a r i e t yo fm e t h o d sw i t ht r a d i t i o n a lc o n s t i t u e n t so f n a n o s t r u c t u r e dm a t e r i a l s 。t r a d i t i o n a lm a t e r i a l sw i t hn e wv i t a l i t y a t p r e s e n tt h es u r f a c eo fn a n o t e c h n o l o g yr e s e a r c hi ss t i11a tt h ef l e d g li n g s t a g e ，i np a r t i c u l a rh a v i n gt h er e s i d u a l s t r e s sa f t e rn a n o m a t e r i a l s u r f a c eo nt h ei m p a c tp r o p e r t i e sh a s t h ef e ws t u d i e s i nr e c e n ty e a r s ，w it ht h ec o n tin u o u sd e v e l o p m e n to fn a n o t e c h n o l o g y ， t h es u r f a c eo ft h e n a n o t e c h n o l o g y h a sb e e nf u r t h e r d e v e l o p e d n a n o m a t e r i a l sm o r ea n dm o r ea sas t r u c t u r a lm a t e r i a lu s e di nm a c h i n e r y ， c o n s t r u c t i o na n dh i g h t e c hf i e l d s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n df a t i g u e p r o p e r t i e so ft h em a n yp r o p e r t i e si st h em o s ti m p o r t a n t ，t h er e s i d u a l s t r e s sa f t e rt h en a n o m a t e r i a ls u r f a c eo nt h ei m p a c to fi t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e si sac o n c e r nf o ra 1 1a n da l s os t i l ln o tk n o w n t h i sr e s e a r c h p r o j e c tw i1 1u s ex - 3 5 0 a - s t r e s sa n a l y z e ro nt h en a n o - 3 1 6ls t a i n l e s ss t e e l s p e c i m e n ss u r f a c ef o rr e s i d u a ls t r e s st e s t i n g ，a c c o r d i n gt or e s u l t sb o n d t i m b e rf a ti g u ed a t aa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i st e s t s ，p a s s e st h r o u g ht h e a n s y sa n a l y s i sc o n f i r m a t i o na g a i n ，t h u sa f t e ro b t a i n i n gt h en a n o - 3 1 6 l s t a i n l e s ss t e e ls u r f a c ep r o d u c e sr e s i d u a ls t r e s st oi t sp e r f o r m a n c e i n f l u e n c e t h ea n s y sf a t i g u ea n a l y s i sc o m p u t e dr e s u l ti s ：s u p e r f i c i a ln a n o m e t e r 3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e lw h e nr l ，s = 2 4 0 m p a6 2 7 ，4 4 9 7n o d e sf a t i g u e1 i y e s a r e4 2 0 0 0 ，4 1 1 0 0 ，w h e nt h ec y c l e i n d e xi s3 0 0 0 0w e a r ys e r v i c ef a c t o r si s 0 7 1 4 2 9 ，0 7 2 9 9 3 ：h a sn o tc a r r i e do nt h es u p e r f i c i a ln a n o m e t e r3 1 6 l s t a i n l e s ss t e e lw h e nr = 一1 ，s = 2 4 0 m p a6 2 7 ，4 4 9 7n o d e sf a t i g u eli y e sa r e = 3 5 1 0 0 ，3 4 8 0 0 ，w h e nt h ec y c l e - i n d e xi s3 0 0 0 0w e a r ys e r v i c ef a c t o r si s 0 8 5 4 7 0 ，0 8 6 2 7 0 m a yk n o wt h e3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e la f t e rt h ea n s y s a n a l y s i s ，b e c a u s ea f t e rs u p e r f i c i a ln a f l o m e t e r p r o d u c e st h er e s i d u a l s t r e s se n a b l e dt h ef a t i g u eli f et oh a v et h ev e r yb i ge n h a n c e m e n tt r u l y k e yw o r d s ：s u r f a c en a n o c r y s t a l1iz a tio n ，r e sid u a ls t r e s s ，f a tig u elif e ， m e c h a nic a lp r o p e r tie s i j 贵州大学硕：l 研究生学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责修由本人承担。 论文作者签名： 立哗 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 一r 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印， 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：师签名 贵州人学硕i ：研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 长期以来不锈钢以其优异的性能广泛应用于港口、船舶、航空等要求材料具 备特殊性能的行业中。随着科学技术的发展，这些领域也进一步要求所用的材 料具有更高的性能例如耐腐蚀性、耐高温性、高强度等，这就要求对不锈钢进行 “革命”，通过一些有效的手段对材料进行处理，从而提高其某些特定的性能。 在众多的金属材料处理方式中表面纳米化是极其有效的一种材料处理方式，其具 体实现纳米化提高材料性能的方式可概括为以下两个方面：一方面表面纳米化能 够在材料中形成独特的梯度结构使金属材料表面晶粒细化，不易发生位错同时也 阻止了表面的裂纹萌生；另一方面也能够通过表面组织的优化大幅度地提高材料 表面和整体的力学性能。但总之这类高性能材料可归结为是通过一般金属材料经 过特殊处理后得到的，所以其内部可能存在一定的残余应力，这种残余应力的存 在会直接影响金属材料的强度和寿命，有的对于材料的寿命起到延长作用，但是 有的材料由于残余应力的存在大大缩短了其寿命，这就是有利和不利的残余应力 分布。我们在实际的工程中为了提高金属材料和零部件的疲劳抗力等力学性能， 往往会采取措施引入有利的残余应力分布。所以了解金属材料内部的残余应力分 布情况以及探讨其内部存在的残余应力对金属材料力学性能有何影响至关重要。 另外人们对金属材料在各种环境中的力学行为进行了广泛的研究，但是对具有纳 米结构的材料和材料经纳米处理后产生特定的力学机制( 纳米化后产生残余应 力) 研究相对较少，所以研究表面纳米化对材料的耐腐蚀性和耐疲劳性等力学性 能的影响具有重要的意义。 1 2 表面纳米化技术 1 2 1 纳米材料与纳米科技 纳米晶体材料由于具有独特的结构特征( 晶粒尺寸很小，界面所占比例高) ， 贵州人学硕j ：研究生学位论文 及一系列优异的力学及化学性能，因此成为近二十年来各国学者研究的热点瞳3 。 众所周知，材料在使用过程中所受的破坏在大多数情况下是从材料的表面开始或 受材料表面性能控制，如果在材料的表面制备出一定厚度性能优异的纳米结构表 层，即实现表面纳米化，这样就可以通过表面组织性能的优化来提高材料的综合 力学性能及环境服役行为，有效地实现材料结构功能一体化设计，为传统工程金 属材料赋予高性能和多功能，从而为纳米技术在工程材料上的应用提供可行方 案。 纳米科学技术是2 0 世纪8 0 年代末期诞生并正在崛起的新科技，其基本涵义 是在纳米尺寸( 0 1 一l o o n m ) 范围内通过重新排列原子、分子从而创造新的物质。 纳米科技是研究由尺寸在0 卜l o o n m 之间的物质组成的体系的运动规律和相互 作用以及实际应用中的技术问题的科学技术口 。 纳米科技将对未来科技、经济和社会发展产生重大影响，已成为一个国际竞 相争夺的科技战略至高点。纳米材料是纳米科技的重要基础和先导，发展纳米材 料与技术对我国纳米科技产业的发展以及提高我国现有传统产业的发展具有重 要战略意义。 纳米科技引起了世界各国材料界和物理界的极大兴趣和广泛重视，很快形成 了世界性的“纳米热”，纷纷将这一先进的材料技术列入近期高新技术开发项目， 如美国的“星球大战 计划，西欧的“尤里卡”计划，日本的创造科学技术推进 事业和中国的“8 6 3 计划及“九五”规划均将纳米材料技术研究列入重点项目。 从而纳米材料和技术成为了纳米科技领域最富有活力，研究内涵丰富的学科分 支。2 1 世纪将是纳米科技时代，纳米材料和纳米科技将在传统技术的基础上渗 入国民工业和人民生活的各个领域。 1 2 2 纳米材料的制备 纳米材料的制备按制备原料的状态来分有固体法、液体法及气体法；按反应 物状态来分主要有干法和湿法；按制备手段来分有化学法( 沉淀法、相转变法、 气溶胶反应法等) 、物理法( 蒸气冷凝法、电火花法、离子溅射法、低温等离子法 等) 和综合法( 等离子加强化学沉积法p e c v d ，激光诱导化学沉积法l i c v d 等) 。但 上述的许多方法由于自身的技术困难或成本问题，或由于材料本身的局限，在目 贵州 学删 q f 宄生 位论立 前尚难制备出用作工程材料的三维块状纳米金属或合金，因此限制了纳米材料在 工业r 的些实际应用，对于三维块状纳米金属( 或合会) 的制各，一般都是先得 到纳米粉体，再通过压制烧结的方法制得，但是材料的致密化和热稳定陛一直都 是至今未能完全解决的问题。 表面纳米化是近年柬由中科院卢柯。1 院士提出的个全新的概念即利用各 种物理或化学方法将材料的表层晶粒细化至纳米量级，制各出一定厚度的具有纳 米品粒结构的表层，但是基体仍然保持原有的粗晶状态，表面纳米晶体组织与基 体组织之间不存在明显的界面，在使用过程中不会发生剥层和分离，借以通过表 面组织和性能的优化来提高村料综台的力学性能和服役行为，从而为纳米技术在 工程材料上的应用提供可行方案。 表面纳米化处理后样品的组织结构如图ll 所示，样品的最表层大约 1 0 5 0 卅的纳米层，正是这一纳米结构表层能够显著改善材料的组织结构或赋 予材料新的性能。纳米层之后是微晶层，形变孪晶层和无应变影响的近基体组织 层，因此，这种材料的新处理方式有着广阔的开发应用前景，引起了国际同行的 广泛关注，并在第五届国际材料大会上被列为今后几年内纳米材料领域最有实际 应用前景的技术之。 嘲嗍黑啊 罔卜1 表面纳米化后组织结构示意图“7 3 f ? i g 1 - is c h e m a t i cd i a g r a mo fm i c r o s t r u c t u r ei nt h es u f a c el a y e r s u b j e c t e dt ot h es u r f a c en a n o c r y s t a i l i z a t i o n 贵州人学硕一i ：研究生学位论文 1 2 3 金属表面纳米化 实现金属表面纳米化主要途径有三种：表面涂覆或沉积方法、表面自身纳米 化方法和混合纳米化方法n 1 ： ( 1 ) 表面涂覆或沉积方法 首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒通过表 面技术固结在材料的表面，形成一个与基体化学成分相同( 或不同) 的纳米结构表 层。经过这种处理方式后材料的主要特征是：纳米结构表层内晶粒大小比较均匀、 晶粒尺寸可以控制，表层与基体之间存在着明显的界面，材料的外形尺寸较处理 前有所增加。 许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发纳米表面膜层的潜力，如p v d 、 c v d 、电解沉积等。通过工艺参数的调整，可以控制纳米结构表层的厚度和纳米 晶粒的尺寸，整个工艺过程的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗粒之间 的牢固结合。目前，这些技术经过不断地发展和完善，已比较成熟。 ( 2 ) 表面自身纳米化方法 对于多晶体材料采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，可以使粗晶组 织逐渐细化至纳米量级，同时基体保持原始材料的化学成分和相成分不变。这种 经过处理后的材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大；纳米结构表层 与基体之间没有明显的界面；处理前后材料的外形尺寸基本不变。材料表面自身 纳米化可以通过机械诱导和热诱导实现，不同方法所采用的工艺和由其导致纳米 化的微观机理均存在着较大的差异。 ( 3 ) 混合纳米化方法 首先制备一个具有纳米结构的过渡层，然后结合化学、热力学或冶金学工艺 得到一个纳米晶表面层，这一表面层可能具有不同的化学组成或不同的相组成， 当然也可以两个步骤同时进行得到纳米结构。 贵州 学顺l 研究生学论k 榭 a “1 ”x r 一 蠢x ( a ) 表面涂层或沉积( ( b ) 表面自身纳米化( ( c ) 混合方式 图l2 表面纳米化的3 种基本方式“1 f i gl 一2s c h e m a t i cd i a g r a m o ft h r e et y p e so fs u r f a c en a n o c r y s t a l l iz a t i o n 在上述三种表面纳米化的类型中，只有表面自身纳米化不需要考虑纳米晶层 与基体之阃的结台问题叉可利用传统的表面加工技术实现因此更有实际应用 价值。目前，有关表面自身纳米化的报道中，研究较多的是利用超声喷丸的方法 实现材料的表面纳米化。其基本工作原理如图卜3 所示。 c i _ r 妇rs q t d t 宵酎 图1 3 高能喷丸装黄示意图“3 f i gl 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eh i g h e n e r g ys h o tp e e n i n g ” 在一个u 形容器中放置大量的球形弹丸，容器的上部固定试样，下部与振动 发生装置相连，工作时连续的弹丸以不同角度撞击材料的表面( 见图卜4 ) ，每一 次撞击都导致材料的表面塑性变形。对单次碰撞柬说，材料表面晶粒某些达到临 界分切应力的滑移系可以滑动，产生位错，如果弹丸的后序碰掩方向发生变化， * m ￥m | _ 究沧i 就会促使晶粒其它的滑移系开动( 见图卜5 ) 。多滑移系的开动有助于位错的增 殖、运动并加快纳米化的进程，材料表面的粗品组织通过多个方向产生的强烈变 形而逐渐细化至纳米量绒。 图卜4 喷丸的碰撞过程”1 f i g 卜4p r o c e s so fi m p a c tb ys p h e r i c a ls h o t 赛萋 s t c o a s t卸a m t 图15 表面变形示意图汹1 f i g 卜5s c h e m a t i cd i a g r a m o fs u r f a c ed e f o r m a t i o n ”1 采用上述喷丸方法制备表面纳米结构层，将大大改善材料的性能。例如，由 于细化晶粒，可以提高材料的硬度、耐磨性，而且硬化层与基体之间连续过渡， 不存在各种滁层强化、薄膜强化中的结台力问题。进而还可以通过在金属材料表 面制备纳米结构表层，改变表面层的其它物理、化学性能，如耐蚀性、基体与其 它涂层的结合力、表面自洁净等。 贵州大学硕：i ：研究生学位论文 1 3 表面纳米化后残余应力对构件疲劳性能的影响 金属部件的断裂形成有很多种类，例如脆性断裂、韧性断裂、蠕变断裂、应 力腐蚀断裂、疲劳断裂和在恒应力下的持久断裂等等。对于承受交变荷的机械部 件，特别是汽车、火车、冶金矿山运载机械、飞机和各种发动机部件，虽然破坏 形式有许多种类，但是最主要的是疲劳破坏和腐蚀疲劳破坏。多年来故障分析工 作结果表明，机械部件在使用中损坏的部位绝大部分处在焊缝的热影响区、孔 边、螺纹、表面机械划伤、沟槽、转接圆角根部、内外圆角边缘、弹簧内侧等部 位嗡1 。这些部位都是由于应力集中而形成高应力区，或者是在加工过程中引入 较高的残余拉应力区，由此导致过早地出现疲劳损伤和应力腐蚀断裂。 提高金属部件的疲劳寿命的方法很多，例如合理选材，采用具有较高疲劳 寿命的合金材料，从设计上应尽量降低部件的应力集中系数，但是这并不是在任 何情况下都可以做到的；从加工工艺方面应尽量避免产生残余拉应力、机械划伤、 烧伤等。在一般情况下，表面残余拉应力会降低零件的疲劳强度和抗应力腐蚀的 能力，因此严格控制和规定机械部件危险断面的残余拉应力水平是提高机械零 件疲劳强度和抗应力腐蚀能力的重要途径之一。 一般来说机械部件表面具有残余压应力普遍能提高疲劳强度乜5 1 ，这一结论 对于工业生产极为重要。在生产中可以大量采用那些可使部件表面引入残余压应 力的加工工艺，诸如表面渗碳、渗氮、氰化、热应力处理、高频淬火、中频淬火、 脉冲激光照射、表面滚压、内孔挤压、表面喷丸强化等，其中表面滚压、内孔挤 压、表面喷丸强化工艺在部件表面造成弹塑性变形层，不但造成很高宏观残余压 应力，而且组织结构变化造成很高的微观残余内应力。并且这三种工艺对各种金 属材料适应性广泛，工艺简单、生产效率高、经济效益好、强化效果显著。 贵州人学硕：t = 研究生学位论文 12 0 0 - 8 0 0 - , & 0 0 04 0 08 0 0 最大残余应力ar ( m p a ) 图i - 6s a e 5 1 6 0 调制弹簧钢板的疲劳强度极限与残余应力的关系n 8 1 f i g 1 6r e l a t i o no f1 i m i tf a t i g u er e s i s t a n c ea n dr e s i d u a ls t r e s so f s a e 5 1 6 0b r e w a q es p r i n ga r m o rp l a t e 1 8 3 对调制弹簧钢板调质处理以后，作以下两种处理：( 1 ) 喷丸强化( 强化后表面 残余应力仃，= - 8 0 0 m p a ；( 2 ) 应变喷丸强化：拉伸应变喷丸强化( 表面残余应 q = - 1 3 0 0 m p a 一- - 1 6 0 0 m p a ) 和压缩应变喷丸强化( 表面残余拉应力q = 0 + 5 0 0 m p a ) 疲劳试验结果表明残余压应力提高板簧的疲劳强度而残余拉应力降低板簧的疲 劳强度，结果如图卜6 所示。 1 4 金属表面纳米化技术的应用前景 表面纳米化技术着眼于目前的科学技术水平并面向实际工程应用，将纳米 晶体材料的优异性能与传统材料结合，为纳米技术明显提高传统材料的性能提供 了一条切实可行的途径。表面纳米化技术可以应用下列方面： ( 1 ) 通过表面纳米化处理可在各种金属材料的表面获得纳米晶体组织，由于 纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，在使用过程中不会因为外界条件的变 化而发生剥层和分离，为此可用于替代一些成本高的表面处理方法( 如喷涂、沉 积、溅射、电镀和离子注入等) 。 ( 2 ) 表面纳米化能够明显地提高材料表面和整体的性能，这为利用纳米技术 提高传统工程金属材料的综合性能和服役行为提供了可行的途径，具有在各种金 属和合金的板材和机器零部件上推广的潜力。 咖啪蚴脚。 勺量一i 0 b瞠肇世瞪抓蜒 贵州大学硕卜研究生学位论文 ( 3 ) 表面纳米化能提高金属结构件的抗磨损性能，延长工件的使用寿命。由 于表面纳米化层硬度高，可以改善切削刀具、冲压模具以及各种转动轴或滑动部 件的服役期，还可以改善焊接接头中包括焊缝、热影响区和基体材料组织不均匀 性，提高焊接接头的性能。 ( 4 ) 改善普通切削加工表面动摩擦的润滑性能或滑动件密封性能。由于普通 切削加工表面存在犁沟，滑动密封性能降低或润滑剂流失；而高能喷九处理后金 属表面为微坑结构，故可以改善滑动密封面的磨损，如汽缸的活塞等。 ( 5 ) 表面纳米化处理在材料表面形成的纳米晶体组织具有较高的活性，可通 过迅速钝化来阻止腐蚀进程，如极易腐蚀的低碳钢板材经过表面纳米化处理后， 表面在空气中暴露2 年不发生锈蚀，因此可以提高材料的耐蚀性。 ( 6 ) 利用材料表面纳米晶组织较高的活性，辅以机械合金化处理，在材料的 表面获得具有高性能的复相表层，可望为利用传统金属材料取代造价昂贵的复合 材料提供一条新途径。 ( 7 ) 表面纳米化在材料表面形成高体积分数的界面，为化学元素的扩散提供 了理想的通道，能够显著地降低化学处理的温度和时间、提高元素渗入的浓度和 深度，从而使得精密零部件的化学处理成为可能。 表面纳米化对各种工程金属材料均具有适用性，为将纳米技术与常规材料的 结合提供了切实可行的途径，这种表面被赋予独特结构和高性能的材料在工业上 有着巨大的开发应用空间，目前表面纳米化的应用还处于起步阶段，要想实现这 种新技术的工业应用，还需要进一步的深入研究。 1 5 纳米晶体材料的结构特征和稳定性 近年来，对纳米材料的微观结构研究的报道非常多，主要集中在晶界结构、 晶粒结构和结构热稳定性等三个方面。采用的实验技术手段有多种，其中直接的 观察技术包括：透射电子显微镜( t e m ) 、扫描电子显微镜( s t m ) 、场离子显微镜 ( f i m ) 等。较为直接的结构分析手段有x 一射线衍射( x r d ) 和中子衍射技术等。间 接的结构分析手段有扩展x 射线吸收精细结构( e x a f s ) 、核磁共振、喇曼h h ( r a m a n ) 和穆斯堡尔n 们( m o s s b a u e r ) 谱、正电子湮灭寿命谱等。另外，量热分 贵州大学顾1 ：研究生学位论文 析法( d s c ) 在研究界面的能量状态时非常有用。 1 6 结构稳定性 晶粒尺寸的热稳定性是纳米晶体材料热稳定性研究的重要内容。一方面纳米 晶体材料由于极高的界面体积分数而处于较高的能量状态，晶粒长大可以减少界 面体积分数并进而降低其能量状态，因此纳米晶粒长大的驱动力是很高的。在传 统的晶粒长大理论中，晶粒长大驱动力u 与晶粒尺寸d 的关系可由 g i b b s - t h o m p o n 方程h 玎描述如下： “：坐l 一1 。d 式中q 为原子体积，y 为晶界能。可见，当晶粒尺寸极小( 小至纳米量级) 时，晶粒长大的驱动力是极高的，甚至在室温下晶粒即可长大。但另一方面，大 量实验表明，大多数纳米晶体具有很好的热稳定性，在室温下形态稳定尺寸不变， 有些纳米晶体的晶粒长大温度达到1 0 0 0 k 以上。此外，在不同晶粒尺寸的n i - p 纳米晶样品中发现了反常的稳定现象即晶粒尺寸愈小，纳米晶体的稳定性愈好， 表现为晶粒长大温度及激活能升高。除晶粒长大之外，纳米材料的热稳定性研究 还包括其它方面的内容。例如纳米晶体材料在加热时的分解或第二相的析出等。 所有这些变化过程( 包括晶粒长大在内) 必将影响到纳米材料的性能，并有可能使 纳米晶体材料失去其原本优异的机械或理化性能。因此，纳米晶体热稳定性的本 质特征仍是一个有待深入研究的课题。 1 7 其它物理性能 晶体材料的其它许多物理性能也与常规粗晶和非晶态材料有很大的差异，如 比热、热膨胀系数等。其中比热直接与原子结构有关，因此比较纳米材料的比热 与一般材料的差别，可以反映其微观结构的异同。 总之，纳米晶体材料结构上的特殊性必然使之具有不同于传统粗晶和非晶材 料的特殊性能使其在功能材料及结构材料方面具有广阔的应用前景。然而，对纳 米晶体材料的应用开发研究还只是处于初始阶段，制备上的困难严重制约着纳米 晶体材料的应用。因此如何开发出在工业上有应用价值的纳米化新技术，及利用 贵州人学硕士研究生学位论文 表面纳米化提高传统金属材料的综合力学性能和环境服役行为一直是材料研究 的重要课题。 1 8 本文研究的现实意义和内容 随着纳米化技术和工艺的提高，一些金属材料表面纳米化后广泛运用于建 筑，航空，造船等领域。3 1 6 l 不锈钢为应用广泛的奥氏体不锈钢之一，被广泛 用于石油，化工，原子能，宇宙航行等很多工业部门。3 1 6 l 不锈钢表面纳米化 r 后，表层组织改变并有很大的应力应变产生，正是因为这种内应力( 残余应力) 的存在，这会给材料表面及整体性能带来很大的影响。因此表面纳米化后的不锈 钢的残余应力将会直接影响到这类材料在实际工程应用中的性能好坏和纳米化 技术在该类材料上的普及。并且今后的发展将是沿着大量使用诸如此类的经过特 殊处理材料方向发展，这些经过特殊处理材料在2 l 世纪也会以其优越性能得到 广大领域的青睐汹1 。 由于这些材料都是经过一些特殊处理后得到的，所以在其内部必定存在残余 应力，这种内应力会带来一定效应，而这些效应正是关系到材料的安全性和可靠 性。特别是表层纳米化后的残余应力，由于表层纳米技术本身是一种表层经过特 殊处理材料处理方式，其伴随产生内应力的研究还处于尚不成熟阶段。因此进一 步研究分析经表层纳米化后材料的内应力及内应力对其疲劳寿命的影响具有现 实意义 本文就以下几个方面进行研究j 1 对3 1 6 l 不锈钢表面纳米化的微观机理和残余应力的产生作进一步的探 讨； 2 利用x 一射线应力测定仪对表面纳米化后的3 1 6 l 不锈钢原始试件、一次 拉伸试件、疲劳试件进行逐层扫描并测定其残余应力值，对比纳米化后的试件和 未纳米化试件的残余应力分布，从而得出纳米化后产生的残余应力与材料疲劳性 能的关系； 3 利用测定的沿试件深度分布的残余应力数值进行a n s y s 数值模拟进而得 到表面纳米化的3 1 6 l 不锈钢在疲劳性能方面有何改观。 贵州大学硕士研究生学位论文 第二章残余应力的产生及消除 残余应力问题的广泛性与重要性，已日益为人们所了解。残余应力对于构件 的疲劳强度、应力腐蚀等均有重大的影响，而它的形成，又随构件的材质、形状、 成形与加工工艺过程等的不同而异。如何确定残余应力的大小、调整残余应力的 分布、减少或消除残余应力对工程的危害，已成为人们广泛关注的问题。 近年来，由于在设计机械零部件时，要求材料承受高功率、高速度和高温的 倾向日益增强，在技术上应用价值的观点更加突出，而残余应力的存在对于零部 件的尺寸稳定性、疲劳强度及应力腐蚀等等都将产生直接的影响。因此开展残余 应力研究，对于如何按照工作状况正确确定构件的设计应力，保证材料应用的可 靠性，具有重要的现实意义。 1 残余应力的概念及分类 构件在制造加工过程中，将受到来自各种工艺等的因素的作用与影响。当这 些因素消失之后，若构件受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分 作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力，或称残余应 力，残余应力是一种固有应力。1 9 2 5 年格马辛、m u r at 、达维金科夫h h 分 别提出了残余应力的界定方法，现在国内外学者普遍认同1 9 7 3 年德国学者 e m a c h e r a u c hn 3 提出的分类方法，该分类法把材料中的内应力分为如下三类： 第1 类残余应力称为宏观残余应力( m a c r or e s i d u a ls t r e s s ) ，标记为仃! 。 它在材料较大范围或许多晶粒范围内存在并保持平衡，在多个连续晶体范围内保 持常数，它的大小、方向和性质可用通常的物理或机械方法进行测量。如果第一 类残余应力所产生的力或力矩的平衡状态遭到破坏，将导致构件宏观尺寸的变 化。 第1 i 类残余应力称为微观结构应力( s t r u c t u r a lm i c r o s t r e s s ) ，标记为一1 。 它存在于晶粒尺度内( 一个或少数几个晶粒范围内) 并保持平衡，在一个或几个晶 粒的部分范围内保持均匀。它出现在不同相材料或不同物理性质材料间，或出现 在夹杂物、复合材料基体间。如果第二类残余应力平衡状态得到改变，也会造成 贵州大学硕卜研究生学位论文 宏观尺寸变化。 第1 i i 类残余应力称晶内亚结构应力( s u b s t r u c t u r a ls t r e s s ) ，标记为仃? 1 。 它是在晶粒若干个原子范围内存在并在晶粒- d , 部分内保持平衡，在晶体亚结构 范围内大小不均匀。第三类残余应力平衡状态的破坏，不会引起构件宏观尺寸变 化。 这三类残余应力的迭加决定了材料内某一点残余应力总值，图2 - 2 示意残余 应力沿几个晶粒的分布。马赫劳赫关于内应力的定义与达维金科夫的分类方法相 比，物理概念清楚，并明确了各类内应力之间的关系。特别是将晶粒大小作为最 重要的描述内应力影响区域的材料特征尺寸，使得内应力与材料的组织结构有了 更为紧密的联系，从而有利于人们对内应力及其对材料性能影响的认识。 贵州人学硕： ：研究生学位论文 1 按存在的范围，残余应力可分为宏观残余应力和微观残余应力两大类。 2 按其产生的机理，宏观残余应力可分为热加工残余应力和冷加工残余应 力。前者有焊接残余应力、热处理残余应力等；后者有多层包扎残余预应力、多 层绕板或绕带残余应力、旋压封头残余应力、自增强处理残余应力等。 3 按其对构件使用性能的影响，宏观残余应力可分为有害的残余应力和有 利的残余应力。前者有焊接残余应力、热处理残余应力等；后者有自增强处理残 余预应力、热套多层容器预应力、多层包扎和多层缠绕容器的预应力等。宏观残 余应力分布在宏观范围内，它们的大小、方向与性质等，均可用通常的物理方法 和机械方法进行测量。 微观残余应力发生在微观范围内，它们属于微观视野范围内的应力。按作用 范围，微观残余应力又可细分为微观结构应力与晶体亚结构应力两类。前者分布 在晶粒范围内，它的平衡范围可与晶粒尺寸来比量；后者作用在一个晶粒内部， 它的平衡范围更小，其大小可以与品格尺寸来比量。按产生原因，有人将微观残 余应力分为如下几种： ( 1 ) 由于晶粒的各向异性而产生的微观残余应力。 ( 2 ) 由于晶粒内外的塑性变形而产生的微观残余应力。 ( 3 ) 由于夹杂物、沉淀相或相变而出现的第二相所产生的微观残余应力。 其组合形式主要有压应力型、拉应力型、拉一压应力型三种基本类型： l d ，厂一 j + 0队d j + | 0 八c v ( a ) 压应力型( b ) 拉应力型( c ) 拉一压应力型 图2 2 残余应力分布类型m 3 f i g 2 - 2d i s t r i b u t i n gs t a m po fr e s i d u a ls t r e s s 2 1 贵州人学硕二b 研究生学位论文 2 2 残余应力产生的原因 宏观残余应力产生原因，大致有如下三种情况比： ( 一) 不均匀塑性变形产生的残余应力 残余应力产生的原因，可分为因外部作用的外在原因和来源于物体内部组织 结构不均匀的内在原因。不均匀的变形条件，是产生不均匀塑性变形的原因。 外在原因：不均匀的作用应力。例如弯曲、压延、拉伸等。 内在原因：由于物体内各部分组织的成分的差异或晶粒的位向差等，各部分 显示出不同的屈服行为。 这是构件在加工过程中最常出现的残余应力，当施加外载时，若构件的一部 分区域发生不均匀塑性变形，则在卸载后，该部分就产生残余应力，同时由于残 余应力必需在整个构件内达到自相平衡，致使构件中不发生塑性变形的哪一部分 区域也产生残余应力。 ( 二) 热影响产生的残余应力 ( 1 ) 热应力所引起的塑性变形。加热、冷却过程中产生热应力时，由于高温 下屈服强度低，在这种应力引导下易于产生塑性变形。 外在原因：由于物体的几何形状不对称、复杂等，加热和冷却过程中各部分 的热传导状态不同，因而各部分显示出温度差。 内在原因：物体内各部分的弹性模量、导热系数、热膨胀系数等不同，而且 它们的温度系数也不同。 当构件在加热、冷却过程中由于高温下材料的屈服强度较低，在热的作用下， 易于产生塑性变形。并且由于构件的几何形状复杂等等因素，在加热、冷却过程 中构件各部分的热传导状态不同，构件的温度场不均匀，致使构件内各部分的弹 性模量、热膨胀系数等等各不相同，从而构件内部所产生的塑性变形也是不均匀 的。 ( 2 ) 相变或沉淀析出在物体内部产生不均匀的体积变化时，则产生应力。 外在原因：冷却时各部分的冷却不均匀，冷却速度也不同，因而当出现有完 全相变终了的部分和相变尚未进行的部分时，两者便显现出体积变化的差异。 内在原因：在组织结构具有浓度差时，则因相变和沉淀析出等，所引起的体 积变化的程度也不同。 贵州大学硕十研究生学位论文 构件在热；b n - r 过程中常出现这种残余应力，这种残余应力是由于构件在热加 工中的不均匀塑性变形与不均匀的体积变化而产生的。冷却时，构件各部分的瞬 时冷却程度不均匀，冷却速度也不同，因而各部分的瞬时相变程度不均匀，即有 的部位相变已完全结束，而有的部位相变尚未开始，从而引起构件各部分的体积 变化不均匀。 上述由于热的作用而引起的不均匀的塑性变形与由于相变作用而引起的体 积变化所产生的应力，分别称为热应力与相变应力例如钢材碎火，一方面由于 钢件内各部分不均匀膨胀而产生热应力，当平衡温度消除热应力之后，钢件内因 残留永久不均匀的塑性变形与体积变形而产生残余应力，另一方面还伴有相变应 力作用的情况，随着相变而引起的相变区域的体积变化，往往比热应力引起的体 积变化为大，由于此不均匀体积变形也将产生残余应力。 ( 三) 化学变化产生的残余应力 这种残余应力是由于从构件表面向内部扩展的化学或物理变化而产生的。金 属材料的化学热处理、电镀、喷涂等等加工均属此例，如钢材进行氮化时，在钢 件表面由于形成氮化铁的毛相和y 相而引起密度变化，从而在钢件表面形成明显 的压缩残余应力。 2 3 残余应力的稳定性 材料中各部位的残余应力一般不是一个固定值，在各种外界因素的作用下将 发生变化这就是残余应力的稳定性问题，又称为残余应力的松弛或衰减。促使残 余应力松弛的外界因素主要是温度和载荷( 静载荷与动载荷) 。两者可以单独影 响，也可以综合在一起共同影响。 2 3 1 残余应力的热松弛 一般认为，在无外载的条件下室温长期保存后材料的残余应力基本上没有变 化，把缺口，经滚压后表面存在5 0 0 - - 6 0 0 m p a 残余应力试样在室温下保存1 0 年，期间每年作一次弯曲疲劳试验，发现疲劳极限实际上基本不变m 1 。利用试 验手段测试其表面残余应力，其数值也基本保持不变。但是若此试样进行加热， 残余应力将随温度的升高而不断降低。图2 - 3 就是不同含碳量的碳钢试样上测得 贵州人学硕： ：研究生学位论文 的表面残余应力随回火温度的变化趋势。由下图可见当回火温度超过5 0 0 c ，各 种碳钢的的淬火残余应力基本上都接近于零。这就说明当金属材料加热温度超过 其再结晶温度时，由于再结晶是经扩散后的晶粒重组，所以使残余应力完全松弛。 0 1 2 3 0 0 4 5 0 06 7 回火温度 图2 3 不同含碳量碳钢回火后轴向残余应力的变化 f i g 2 - 3t e m p e r i n gd i f f e r e n tc a r b o nc o n t e n to fs t e e la f t e ra x i a lr e s i d u a l s t r e s sc h a n g e s 2 3 2 静载荷下残余应力松弛 当外加静载荷引起的应力与材料中存在的残余应力叠加后超过材料局部的 塑性变形抗力，将产生微量的塑性变形，从而使残余应力下降。 静载荷下松弛后的残余应力值可以从下式求得： 0r = 0s 一0 其中0 为外载应力；0s 为材料的屈服强度。 但对于本课题中喷丸产生的残余应力来说，由于形变强化程度不同表层的屈 服强度与心部是不同的，残余应力在外部载荷作用下其衰减规律如下图。 咖 咖 伽 锄 - 一 一 一 一 一鲁r剧张舔 贵州人学硕l ：研究生学位论义 ( 了 o o 0 8 ，r 魄，k 孬s 。，夕 一 _ q 、 u r ，r 咧 【， o d s ? 形恿争7 o 趣k o ； l jijl j 。 o d s ，r 0 仃譬 ，、- ，_r x 图2 - 4 心表具有不同的应力应变特性的材料在静载荷下残余应力衰减模型n 3 1 f i g 2 - 4h e a r to ft h et a b l ew i t hd i f f e r e n ts t r e s s s t r a i nc h a r a c t e r