（机械设计及理论专业论文）纳米结构珠光体钢丝及其复合材料三体磨料磨损特性的研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 纳米结构珠光体钢丝及其复合材料三体磨料磨损特性的研究 专业：机械设计夏理论 硕士生：彭建宏 导师：许云华教授 摘要 本文利用t e m 、x i a y 测试技术，通过对强烈冷拉伸塑性变形下珠光体钢 丝材微观结构组织特征的演变，研究了：( 1 ) 强烈冷拉塑性变形下，珠光体钢显 微组织的演变特征；( 2 ) 纳米结构组织的形成机制：( 2 ) 退火处理对微观组织结构 及性能的影响；( 3 ) 珠光铜丝的强化机制。在本文中，还介绍了纳米结构丝材增 强聚氨酯( p u ) 耐磨复合材料的制备工艺；利用自制三体磨料磨损试验机测试复合 材料的耐磨性能；利用s e m 测试技术对磨损形貌进行分析，讨论复合材料的三 体磨料磨损机理。 强烈冷拉塑性变形条件下，珠光体销( 7 2 a 铅浴态) 组织中的铁索体演变为超 细晶、纳米晶。变形过程中，铁素体的多数滑移系开启，晶体在不同滑移系滑动 导致了铁素体发生了严重的细化；随着变形量的进一步增加，晶粒发生变形、畸 变，形成很多的亚晶粒，铁索体中滑移开启的这些晶面的衍射谱逐步转化为环 状，这也表明了铁素体的小角度晶界已多数转变为大角度晶界。大角度晶界的形 成可能是由于柏氏矢量平行于晶界面的的可滑动或剪切位错数量增加，导致晶粒 发生转动，从而小角度晶界演变成为大角度晶界。 强烈冷拉塑性变形条件下，珠光体组织中的太部分渗碳体片也已演变为纳米 尺度晶粒。拉伸变形过程中，渗碳体在拉伸应力作用下发生变形r 如弯曲等1 、减 薄、颈缩和断裂；在拉伸应力以及剪切应力作用下渗碳体片发生剪切滑移，表面 形成滑移台阶；渗碳体厚度减薄以及渗碳体表面的滑移小台阶使渗碳体的单位体 积的表面积增加，这将导致并加大渗碳体相发生溶解，这是由于渗碳体的减薄以 及由g i b b s - t h o m m s o n 效应使渗碳体相变得不稳定，或是由于渗碳体界面处的位错 密度以及位错与渗碳体接触区域的增加的缘故。铁索体中的碳与位错的结合焓超 过了铁素体中渗碳体的溶解热，这也可能是渗碳体发生溶解的原因。 在2 0 0 c 退火，铁素体片层以及其微观内部应力几乎没友生变化。在相邻 铁索体片层之间析出了大量的纳米尺度的球状渗碳体。3 0 0 。c 退火时，球状渗碳 西安建筑科技大学硕士论文 体数量急剧增多。通过观察，低温退火发生了相平锈回复，同时各种缺陷也得到 了回复。4 0 0 。c 退火时，发现铁索体发生了再结晶，球状颗粒变粗大；5 0 0 。c 退 火，组织完全形成等轴晶组织；当退火温度超过5 5 0 。c ，大部分球状渗碳体颗粒 发生合并，形成完整的片状的渗碳体。拉伸试验表明，低温退火时丝树的抗拉强 度有所提高而韧性有所下降；可能是由于析出的纳米尺度渗碳体颗粒与位错l | 勺相 互作用引起的强化导致的。当退火超过7 0 0 。c ，韧性得到了人幅度提高，同时拭 拉强度急剧f 降。 强烈冷拉塑性变形后，珠光体钢t 获得很高的强度和硬度，并具自较理想 的韧性。当晶粒细化到纳米尺度，对珠光体钢丝强度变化呈现出特殊性。强烈冷 拉塑性变形以及低温退火处理下，钢的强化机制主要有位错强化、间隙固溶强化 晶界强化以及析出强化等。 将强烈冷拉塑性变形法制备的丝材编织成网，与浆氨f l 目( p u ) 复合制备耐磨 复合材料。三体磨料蘑损实验得出，纳米结构丝材增强聚氨酯复合材料的磨损性 能咀显优于传统的抗磨材料高铬铸铁。通过s e m 对复合材料的磨损机理进行分 析，纳米结构丝材的磨损主要是短程犁沟、微观切削以及丝的断裂剥落，聚氨酯 基体的磨损以塑性堆积、犁削和疲劳裂纹为主。高强度高硬度珠光体钢丝使聚氨 酯基体抵抗犁削和磨料磨损的能力增加，以及聚氨酯良好的抗撕裂性能，是复合 材料具有良好耐磨性能的重要原因。 关键词：强烈冷拉塑性变形；纳米结构；渗碳体的溶解；退火处理 纳米结构丝材增强聚氨酯复合材料：三体磨料磨损：磨损机理 论文类型：应用基础 i i 西安建筑科技大学硕士论文 a n i n v e s t i g a t i o no f n a n o - s t r u c t u r e dp e a r l i t i cs t e e lw i r ea n dt h et h r e e - b o d y a b r a s i v e - w e a rm e c h a n i s m so fi t sc o m p o s i t e s s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n i n e ：p e n gj i a n h n n g m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n de v o l u t i o n so fp e a r l i t i es t e e lw i r ew e r e i n v e s t i g a t e du n d e rt h ec o n d i t i o n so f h e a v i l yc o l dd r a w no r l c d ll o a d sb yt e ma n dx r a ya n a l y s i sa p p r o a c h e s t h ei n v e s t i g a t i o ni n v o l v e s ：( 1 ) t i l e c h a r a c t e r i s t i c sa n d f o n r m t i o nm e c h a n i c a l so fn a n o - s t x u c t u r ei np e a l i t i cs t e e lu n d e rh c dl o a d s ；( 2 ) t h e e v o l u t i o n so fm i e r o s t r u c t u r ea n dc a p a b i l i t yo fp o s t - d e f o r m a t i o ns t e e lw i r ec a u s e db y a n n e a l i n g ；( 3 ) s t r e n g t h e nm e e h a n i s r ao fs t e e ld u r i n gh c da n dp o s t - d e f o r m a t i o n a n n e a l i n gb e s i d e s ，w ea l s oi n t r o d n c e dt h em a n t f f a c t u r i n ga n dp r e p a r a t i o nt e c h n i q u eo f t h er l a r l o s t r u c t u r e ds t e e lw i r er e i n f o r c e dp o l y u r e t h a n e ( p u ) c o m p o s i t e ，a n dt e s t e di t s w e a r r e s i s t a n c ep r o p e r t y0 1 2o u so w n - m a d et h r e e - b o d ya b i s i v ew e a rt r i a lm a c h i n e a n d a n a l y z e di t sw e a rf e a t u r e sb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a p p r o a c h ，a sw e l l a si t sw e a rm e c h a n i s m u n d e rh c dd e f o r m a t i o n ，f e t r i t el a m e l l a ei np e a r l i t i es t e e l ( 1 e a d sp a t e n t i n go f 07 2 cs t e e l ) c h a n g e si n t ou l t r a - f m ea n dn a l l o - s i z e dg r a i n s + d u r i n gt h ed e f o r m a t i o n ， m o s to ft h es l i p p i n gs y s t e m si nf e r r i t ec r y s t a l sh a v eb e e nu n l o c k e d ，a n dm o s ts l i p p i n g r e s u l ti nu l t r a - f i n e g r a i n s w i t hp l a s t i c i t yd e f o r m a t i o ni n c r e a s e ，f e r t i t ec r y s t a l s d e f o r m a t i o na n da b e r r a t i o nl e a dt oa1 0 to fs u b m l c r o ng t a i n s f o m l i n g ；a n dd i f f r a c t i o n p a t t e r no f t h e s eu n l o c k e ds l i pp l a n e sc h a n g e si n t ot i n g sg r a d u a l l y ，w h i c hs h o w st h a ta m a j o r i t yo fs m a l la n g l eb o u n d a r i e so f f e r r i t ec r y s t a l sc h a n g ei n t ob 迎a n g l eb o u n d a r i e s ， t h es l i p p e r yo rs h e a r s u s c e p t i b l ed i s l o c a t i o n sw h o s eb u r g e r sv e c l o ra r ep a r a l l e lt o c r y s t a lb o u n d a r yi n c r e a s ew i mp l a s t i cd e f o r m a t i o na n dr e s u l ti nt h er o t a t i o no f c r y s t a l s t of o r mb o u n d a r i e sw i t hl a r g ea n g l e s i n 西安建筑科技大学硕士论文 i tc a nb eo b s e r v e dt h a tam a j o r i t yo fc e m m e n f i t el a m e l l a ei np e a r l i t eh a v eb e e n t r a n s f o r m e di n t ol l a n o - c r y s t a l su n d e rt h eh c dd e f o r m a t i o nd u r i n gt h ed r a w i n g ，p l a s t i c d e f o r m a t i o n ( s u c ha sb e n d i n g ) ，t h i n n i n g ，n e c k i n g ，a n df r a c t u r eo fc e m m e n t i t ep l a t e s o c c u rb yt e n s i l es t r a i n t h es h e a r i n ga n ds l i p p i n go f c e m m e n t i t ei sf o r m e db yt h et e n s i l e a n ds h e a rs t r e s s ，t h e r e f o r es m a l ls l i p p i n gs t a g e so fc e m m e n t i t es u r f a c ea p p e a r l h e c e m m e n t i t et h i n n i n ga n df o r m a t i o no fs m a l ls l i p p i n g s t a g e sw i l l i n c r e a s ei t si n t e r s u r f a c ea r e ap e rv o l u m e ，w h i c hl e a dt oa n de n h a n c ec e r n m e n t i t ed e c o m p o s i t i o nd u et o t h i n n i n go fc e m m e n t i t ea n di t su n s t a b i l i z a t i o nt h r o u g ht h eg i b b s - t h o m m s o ne f f e c t ，o r b e c a u s eo f t h e i n c r e a s eo f d i s l o c a t i o n d e n s i t ya n d t h ec o n t a c t a r e a b e t w e e nc e m m e n t i t e a n dd i s l o c a t i o n sw h i c ha r el o c a t e dm a i n l ya tt h ei n t e r f a c e a n o t h e ri n t e r p r e t a t i o no f d i s s o l u t i o no fc e m m e n t i t ei st h a tt h ec o m b i n i n ge n t h a l p yo fc a r b o na n dd i s l o c a t i o ni n f e r r i t ee x c e e dt h es o l u t i o nh e a to f c e m m e n t i t ei nf e r r i t ep h a s e a f t e ra2 0 0 。ca n n e a l i n g ，i ts h o w st h a tt h es i z eo ff e r r i t el a m e l l a e ，b sw e l la nt h e m i c r o s c o p ei n t e r n a ls t r a i ni n s i d et h e s el a m e l l a e ，i sa p p r o x i m a t e l yc o n s l a n t n u m e r o u s l l a n o - s i z e dc e m m e n t i t eg l o b u l e sa r ep r e c i p i t a t e db e t w e e na d j a c e n tf e r r i t el a m e b a eu p t oat e m p e r a t u r eo f3 0 0 0ca n n e a l i n g ，t h en u m b e ro fc e m m e n t i t eg l o b u l e si n c r e a s e r a p i d l y i t so b s e r v e dt h a t ，a tl o wt e m p e r a t u r ea n n e a l i n g ，t h ee q u i l i b r i u mo fc e m m e n t i t e p h a s e ，a sw e l l a sm a n yd e f e c t sa r er e s t o r e d a f t e ra na n n e a l i n ga t4 0 0 。c ，t h e r e c r y s t a l l i s a t i o no ff e r r i t eo c c u r s ，a n dt h ec e m m e n t i t eg l o b u l e sb e c o m ec o a r s e r w h e n t h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei su pt o5 0 0 。c ，t h e r ea r ea l le q u a l a x e dg r a i n si nt h e s t r u c t u r e w h e na n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei sh i 曲e rt h a n5 5 0 0c ，c e m m e n t i t eg l o b u l e sa r e c o m b i n e da n di n t e g r a t e di n t oc e m m e n t i t el a m e l l a e a c c o r d i n gt ot h et e n s i l et e s t ，l o w t e m p e r a t u r ea n n e a l i n gl e a d st o t h ei n c r e a s eo ft e n s i l es t r e s sa n dt h ed e c r e a s eo f e l o n g a t i o n o fa s - d r a w ns t e e l w i r e ，a n dt h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e nc e m m e n t i t e p r e c i p i t a t e sa n dd i s l o c a t i o n sa l et h o u g h tt ob er e s p o n s i b l ef o rt h eo b s e r v e di n c r e a s ei n s t r e n g t h + y v 3 2 t e nt h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei su pt o7 0 0 。c ，t h ed u c t i l i t yo fs t e e lw i r ei s i m p r o v e dr e m a r k a b l y , w m l et h et e n s i l es t r e n g t hd e c r e a s ea l o t h e a v i l yc o l dd r a w np e a r l i t i cs t e e lw i r eh a sv e r yh i 曲s t r e n g t ha n dh a r d n e s s ， t o g e t h e rw i t ha na c c e p t a b l el e v e lo fp l a s t i ct o u g h n e s s w h e nt h es c a l eo fm i c r o l i t e c h a n g e si n t on a n o s i z e dg r a i n , t h es t r e n g t ht r a n s f o r m a t i o no fp e a r l i t es t e e ls h o wa s p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c u n d e rh c dd e f o r m a t i o na n dl o wt e m p e r a t u r ea n n e a l i n g ，t h e m a i ns t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m so ft h es t e e la r ed i s l o c a t i o ns t r e n g t h e n i n g ，s o l i d s o l u t i o ns t r e n t h e n i n g ，g r a i nb o u n d a r ys t r e n g t h e n i n g ，a n ds e p a r a t e o u ts t r e n g t h e n i n g 西安建筑科技大学硕士论文 t a k et h em e s h w o r kk n i t t i n gw i t lt h es t e e lw i r et 0r e i n f o r c et i l ep ua n dt h e n a c h i e v et h ew e a r - r e s i s t a n c ec o m p o s i t e si nt h et h r e e - b o d ya b r a s i v ew e a rt e s t ，i ts h o w s t h a tn a r l o s t r u c t u r e ds t e e lw i r er e i n f o r c e dp uc o m p o s i t eh a sb e t t e ra b r a s i v ew e a r r e s i s t a n c et h a nt r a d i t i o n a lm a t e r i a l s ，s u c ha sh i 出c h r o m i u mc a s ti r o n t h ew e a r m e c h a n i s m so ft h ec o m p o s i t ea r ee x a m i n e db yn l e a n so fs e mi th a sb e e nf o u n dt h a t t h em a i n 、v e a rm e c h a n i s m so fl l a n o s t r u c t u r c ds t e e lw i r ea r es h o r tp l o u g h i n g m i c r o c u t t i n g ，a n dr u p t u r e d s t r i p i n go fs t e e lw i r e ，a n dt h a to ft h ep t 】m a t r i xa r ep l a s t i c a l s t a c k s ，c u t p l o u g h i n ga n df a t i g u ec r a c k s t i i 曲s t r e n g t ha n dh a r d n e s sp e a r l i t es t e e l w i r e si n t e n s i f yt h ep um a t r i xw i t ht h ea b i l i t i e so fa n t i p l o u g h i n ga n da n t i a b r a s i v e w e a r ；a n dt h es a l n et i m e ，t h ep um a t r i xh a sag o o da v u l s i o nc a p a b i l i t y ；s ot h a tt h e c o m p o s i t e sh a sa ne x c e l e n ta n t i w e a ra b i l i t y k 斜w o r d s ：h e a v i l yc o l dd r a w i n gd e f o r m a t i o n ；n a n o s t r u c t u r e ； d i s s o l u t i o no f c e m e n t i t c ；a n n e a l i n gt r e a t m e n t ； n a n o - s t r u c t u r e ds t e e lw i r cr e i n f o r c e dp o l y u r e t h a n e 口u ) c o m p o s i t e s ； t h r e e - b o d ya b r a s i v ew e a r ；w e a rm e c h a n i s m s v 声明 y8 15 7 7 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：锅建喙 日期 关于论文使用授权的说明 川j 5 最 l 论文作者签名：科章薤导师签名：研害谚日期：加；午5 a fl 西安建筑科技大学硕士论文 1 1 前言 1 绪论 钢铁材料由于其原料丰富、可以廉价的大规模工业化生产、性能优异，并可 以通过各种加工处理来改变其形状、尺寸和性能，更好的满足r 国民经济发展的 各种需要，因此是目前生产量和消费量最大的基础材料【jj 。到2 0 0 0 年全球的钢 产量已达8 亿吨左右，其消耗量约占所有材料( 金属、塑料、陶瓷、水泥、术材 等) 的4 5 【2 。钢铁材料具有最好的价格一性能比，没有别的材料能与之相比 拟l ”，又因其较其它金属容易还原成金属铁，而本身又具有循环再利用性，囡 此由以上几点可以看出，在将来钢铁材料仍是世界上最普通而又最多用途的材 料眠 组织细化理论是研究新一代钢铁材料的核心。2 0 世纪末日本政府启动的 “超级金属”研究计划以及我国“国家熏点基础研究规划”项目都把提高结构材 料性能作为研究的重点”j 。为了达到这个目的，必须把金属组织控制在超细晶粒 的范围内。通过大的塑性变形使得低成本、焊接性能良好的低碳钢变成细晶粒高 强度钢，这样既可以避免用添加台金元素提高强度而削弱了焊接性能，也廿 以避 免因合金元素的增加而降低其可再生利用性能。采用这种方法可以降低高性能材 料对某些资源匮乏合金元素的依赖性，同时又可以提高其重复利用性，节约资 源。这己成为新型高性能钢铁材料研究的一个趋势。到目前，在超级钢开发中， 我国4 0 0 m p a 级碳素钢刚刚进入工业生产，十五8 6 3 “5 0 0 m p a 碳素钢先进生产 工艺研究”处于实施初期；日本制造出了1 8 r n m x l g m m 2 0 m 的低碳钢条树，晶 粒尺寸在1 ，屈服强度达到6 0 0 m p a 。韩国通过加热的等径压缩变形法将低碳 钢变形到真应变4 ，得到0 2 “m 的亚微晶组织，钢材的强度达到8 0 0 9 0 0 m p a 。 而晶粒的纳米化可使得脆性材料增韧、韧性材料增强，通过纳米强化和应变强化 莓多重强化机制的复合强化作用，可望使钢铁材料性能大幅提高。 纳米材料的应用一直是材料研究中的热点问题。本课题采用强烈冷拉伸塑 性变形法制得高碳钢的纳米结构丝材。其具有高强度、硬度并有一定的韧性，作 为增强体与聚氨酯弹性体复合制各了一种实用性很强新型耐磨复合材料。 该技 术研发的一系列产品在一些工矿企业中试用良好，具很有好的应用前景。本章的 术研发的一系列产品在一些工矿企业中试用良好，具很有好的应用前景。本章的 西安建筑科技大学硕士论文 i i i 文献综述将介绍当前国内外强烈塑性变形制各纳米结构材料的研究状况，以及聚 氨酯复台材料的研究现状，最后将介绍本课题研究的目的及主要内容。 1 2 文献综述 1 2 1 国内外强烈塑性变形法翩备超纲晶金属的研究状况 自2 0 世纪6 0 年代以来，人们一直致力于低合金钢晶粒细化的研究和开发工 作，先后开发出未再结晶控轧、再结晶控轧以及控制冷却等品粒细化工艺，并在实 际中樗以广泛应用【6 】。该工艺获得的铁素体最小平均晶粒尺寸，对于碳索钢为1 0 hm ，而对于微含金钢为4 5ui u ，其屈服强度分别达到2 0 g 3 0 0 m p a 级和4 0 0 一一 5 0 0 m p a 级。从上世纪9 0 年代开始，制各超细晶的各种方法就不断涌现，如超犬塑 性变形、极限热机械处理等f j ，铁素体晶粒发生超细晶化，甚至纳米化( 2 0 5 0 0 n m ) ，材料的强度获得了大幅度提高。上f 生纪8 0 年代初，r p r i e s t n e r 等报道 了低碳钢轧制时轧缝中发生的铁素体相变，并称之为应变诱导铁索体相变 ( s t r a i n i n d u c e dt r a n s f o r m a t i o nt of e r r i z e ) l g l ：y t s u m u r a 和i i y a d a 等 的研究表明，通过百万道次的变形，可将普通碳锰钢的铁素体晶粒尺寸细化到1 um 左右，他们认为是形变诱导相变( d e f o r m a t i o ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o n ) 以 及铁索体动态再结晶的共同作用导致了晶粒细化。此后，澳大利亚的 p d h o d g c s o n 等、韩国的s l e e 等”、w y c h o o 等相继报道了类似的现象， 并分别称其为应变诱导相变( s t r a i ni n d u c e dt r a n s f o r m a t i o n ) 和应变诱导动态 相变( s t r a i ni n d u c e dd y n a m i ct r a n s f o r m a t i o n ) 。这些方法强调了相变发生于 变形过程中，相变形成超细铁索体晶粒。然而强烈塑性变形提离钢的强韧性，要 充分认识和运用晶体缺陷的作用。利用钢铁材料中的点缺陷( 空位和间隙原子) 产生固溶强化；利用线缺陷( 位错) 产生位错强化；利用面缺陷( 晶界) 对位错 运动的阻碍产生的晶界强化；利用体缺陷( 例如第二耜m ( c ，n ) 的析出相) 产 生析出强化【l 。2 0 世纪9 0 年代后期以来，强烈塑性变形( s e v e l ep l a s t i c d e f o r m a t i o n ，简称s p d ) 作为纳米和亚微米晶材料制备的新方法，逐渐为国际材 料学界接受，现已成为材料研究领域一个新的热点，且以这种新技术为中心内容 的超细晶材料国际会议已开过三届。1 9 8 4 年，s e g a t 【l “在研究钢的变形织构时， 为获得纯剪切变形提出等径角挤压方法，后来v a l l e y 1 6 , 1 7 1 发现利用该方法可以使 材料获得大应变从而将粗晶金属或合金细化成具有纳米结构的材料。纳米材料内 部的独特缺陷结构，尤其大角度晶界的形成使其具有优异的物理、力学性能。从 此s p d 法己成为很有发展前景的块体纳米材料制各方法，通过强烈的塑性变形， 西安建筑科技大学硕士论文 在材料内部引入极高的变形能，从而使材料块体直接从内部细化。由强烈塑性变 形法制各的块体纳米材料和亚微晶材料，除了其组织和基本物理性能发生很大变 化外，其力学性能也有显著改变。 制各金属纳米固体( 或纳米块体的) 的方法很多，较为成熟的、能实际应用 的方法有三类：( 1 ) 制粉、压制、固化法( 包括惰性气体蒸发、原位加压制备 法和高能球磨制粉、压制法等) ：( 2 ) 非晶晶化法： ( 3 ) 强烈塑性变形诱导 法。前两类方法主要用于金属纳米功能材料的制备，强烈塑性变形法用于金属纳 米结构材料的制备具有独特的优点。强烈塑性变形作为纳术和亚微米晶材料制备 的新方法，主要有：高压扭转法( h i g hp r e s s u r et o r s i o n 简称i t p t ) ” 、等释 弯曲通道变形法( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r o e e s m n g ，简称e c a p ) ( ”】、多向锻 压法( m u l t i p l ef o r g i n g ) 1 2 。j 、叠轧合技术( a c c u m u l a t i v er o l lb o n d i n g ， a r b ) 【2 1 1 、循环挤压法口、超声波喷丸法和表面机械研磨法( s y t ) 等。s p d 法，通过强烈的塑性变形，在材料内部引入极高的变形能，从而使材料块体直接 从内部细化。与遵过制各纳米粉再进行匿l 化烧结的途径制各块体纳米材料的工艺 相比，该法具有如下优势：( 1 ) 可制备出无孔隙的、块体纳米结构金属材料； ( 2 ) 在韧性保持一定水平的同时材料强度大幅度提高；( 3 ) 可大大减少合金的 用量、省略高温热处理工艺、减少合金元素对环境的污染；( 4 ) 可制各不同金 属块体工件和碟形工件。该法为量大面广的传统金属结构材料提供了一个纳米结 构材料制备和大范围工程应用的途径。 高压扭转塑性变形法( 见图1 a ) - o r 制各出平均直径在l o o n m p 以下的超细结构，等 径弯曲通道变形可制备出1 0 0 - 3 0 0 n m 大小的纳米结构，优化组织、优化工艺的拉 伸变形可制备出l o o n m 以下的纳米结构组织。通过高压扭转变形，可制备出铁及 高碳钢、铝及铝合金、铜及铜合金、钛及钛合金、锌及锌合会等块体纳米材料， 用a 1 6 0 6 1 + 1 0 a 1 2 0 3 和a 1 2 0 0 9 + 1 5 s ic 复合材料可获得平均直径为l o o n m 的均匀 结构。由于试样特殊的几何形状，试样大部分都处在准静水压缩条件下变形，所 以尽管发生较大变形，但变形试样损伤较小。 等径通道挤压法( 见图l b ) ，由于在整个强烈塑性变形过程中整个工件的截 面尺寸不发生变化，因而能实现大尺度工件的纳米化和微晶化。对于等径通道压 缩变形，压缩方向和压缩道次对组织的细化非常重要。试样的后续压缩路径有三 种( 如图3 所示) ：( 1 ) 每个道次工件的方位不变( 图3 a ) ；( 2 ) 围绕试样长轴旋转 9 0 ( 图3 b ) ；( 3 ) 围绕试样长轴旋转1 8 0 + ( 见圈3 c ) 。三种路径的应用都导致屈服 应力的增加和材料强度的提高，经过几个道次后达到饱和，而此后强度和应变载 荷都达到稳定状态。 西安建筑科技大学硕士论文 图1 强烈扭转变形法和等径压缩变形法示意图 图3 等径压缩变形路径图 图4 重复锻造原理 重复锻造涉及动态再结晶，被认为是不断改变应变轴的敦粗，拔长自由锻( 圈 4 、。重复锻造的应变均匀性比等径通道压缩和扭转变形要低，然而，由于在较高 的温度下开始加工，而且载荷较低，该法可在脆性材料中获得纳米结构组织，优 化变形温度、应变速率可尽量减小晶粒度。重复锻造可用来对多种合金包括纯 钛、钛舍金v t ，v t 3 0 ，t i - 6 a 1 - 3 2 m o ，镁台金m g - 6 z r 、高强度镍基台金等实 现纳米化。变形温度区间在0 1 - 05t i n l ( t i i l l 为熔点) 。 利用超声喷丸、冲击表面纳米化法对金属材料表面进行处理。材料的失效大 4 西安建筑科技大学硕士论文 多发生在材料的表面，如材料的疲劳、腐蚀和磨损对材料的表面结构和性能极其 敏感，所以材料表面的结构和性能直接影响工程金属材料的性能指标。利用纳米 金属材料的优异性能对传统工程金属材料进行表面结构改盎，即可制备出一层具 有纳米晶体结构的表面层。采用表面纳米化技术，一方面可克b 块体纳米结构材 料制各技术上的困难，另方面可将纳米结构材料的优异性能与传统工程金属剌 料相结台。表面纳米化可采取高频抛丸或对表面实施冲击载荷两种方法获得。高 频抛丸工艺装备示意图如图5 所示。冲击加载实现表面纳米化的工艺装备示意同 见图6 。 图5 高频抛丸表面纳米化设备示意图图6 冲击载荷表面纳米化设备示意图 1 一轧辊，2 一冲锤，3 - - 钢板 许多合金通过强烈塑性变形法制各超细结构可获得低温、高应变的超塑性。 纳米结构合金的超塑性不仅仅取决于晶粒大小，而且还取决于纳米结构的类型。 但强烈塑性变形诱导法存在如下问题：1 ) 制备大尺寸、具有相当均匀性的块体 锭材困难依然存在，完善制备纳米结构块体材料的模具、装备和加工工艺非常紧 迫；2 ) 材料配方、冶炼工艺、成型工艺、热处理工艺、原始组织的晶体类型和 分布对纳米结构材料特性、纳米化机制、纳米结构模型、纳术化工艺、纳米结构 强化机制、耐磨耐腐机制方面缺乏深入系统研究；3 ) 缺乏有针对性地结合相关 行业、具体使用工况开发纳米结构村料、纳米结构产品咀及复合产品，纳米结构 材料及产品产业化程度低。 国内外强烈塑性变形诱导法的发展趋势：1 ) 通过系统物理冶金工作，设计 适合塑变诱导纳米结构工艺的新合金体系；2 ) 系统研究强烈塑性变形诱导法制 各的纳米结构材料力学行为特性；3 ) 开发强烈变形诱导法连续制造大尺寸块体 西安建筑科技大学硕士论文 纳米结构材料及其复合的工艺装备；4 ) 有针对性结合相关行业、具体使用工况 开发纳米结构材料及其产品。 国内现有技术基础：1 ) 金属材料的表面纳米化( 表面冲击和表面喷丸工 艺) 工艺研究、组织分析和性能特性研究在国际上处于领先水平，但不同晶型的 金属纳米化机制研究、功能特性研究和应用开发方面尚有待于加强；2 ) 从9 2 年 开始进行 c a p 及其制各材料的研究。用e c a p 法在实验室制备了普碳钢、中高碳 钢等各种材料，晶粒尺寸达到2 0 0 5 0 0n m 。并对连续e c a p 的实现进行了实验研 究。e c a p 法制备出的平均晶粒尺寸在2 0 0 3 0 0 n m 的工业成分低碳钢，与普通热 轧低碳钢相比，屈服强度由3 5 0 m p a 提高到1 0 0 0 m p a 以上、延伸率无明显降低、 断面收缩率大幅提高，并具有良好的压力加工性能。3 ) 等径压缩变形法诱导纳 米晶的理论研究处于国际同等水平，纳米结构金属丝材的研究与开发有相当的基 础，但规模生产纳米结构高强度丝材的材料配方优化、成型工艺优化、热处理工 艺优化、物理消除应力工艺装备的优化、拉伸工艺的优化尚需深入。 1 2 2 聚氨酯及其复合材料的研究现状 聚氨酯合成材料p i j r 是合成材料中的重要品种，它已跃屠合成材料第六位。 由聚氨酯树脂为基础，可制成的产品有泡沫塑料、橡胶、涂料、粘合剂、纤维、 合成皮革、放水材料、铺装材料等，广泛应用于机电、船舶、航空、车辆、土木 建筑、轻：【、纺织等国民经济的各个领域。产量与品种逐年增加，在材料工业中 占有相当地位，因此，世界各大公司竞相发展聚氨酯工业。世界聚氨酯总产量 1 9 9 8 年达7 5 0 万吨，2 0 0 0 年达8 8 0 万吨，每年增长4 5 ，到2 0 0 2 年将达 到i 0 0 0 万吨。其主要产品软泡占4 0 ，硬泡占3 0 ，弹性体占l o 。西欧、 北美、亚太三大地区消耗大致相当，约占总产量的9 0 口4 1 。 聚氨酯合成材料的两个主要原料为：多异氰酸酯和多元醇。异氰酸脂最早是 由w u r t z 于1 8 4 9 年用硫酸烷基酯与氰酸钾进行复分解反应制得烷基异氰酸脂。 1 8 8 4 年h e n t s h e l 用胺及其盐类与光气反应制成异氢酸脂，从而为异氢酸脂的工 业化奠定了基础。1 9 3 7 年，德国人b a y e r 首先利用异氢酸脂与多元醇化合物发 生加聚反应制成聚氨酯树脂，英、美等i 虱于1 9 5 0 年相继开始了工业化。日本是 在1 9 9 5 年才开始聚氨酯树脂工业的生产。我国自6 0 年代开始独立研制和发展聚 氨酯树脂，到目前为止，工业化生产已初具规模，但生产工艺和技术与发达国家相 比还有较大差距。进入9 0 年代以来，聚氨酯树脂对人们的生产、生活更加重要。 技术的发展、生产工艺的改进使新型聚氨酯不断出现，未来的聚氨酯材料将向应 用和环保方向发展。 西安建筑科技大学硕士论文 聚氨酯树脂具有可发泡性、高弹性、耐磨性、高粘接性、耐低温性、耐溶 剂性，以及好的电绝缘性等，因此它是发展较快的一种商分子合成材料。1 9 8 6 年，聚氨酯树脂的世界总产量是4 0 0 万吨，平均年增长率为4 - - 5 。p u 世界总 产量已达到7 5 0 万吨，年均增长率保持在4 - - 5 。p u 之所以发展迅速，不仅基 于它有优异的特性，更重要的是p u 树脂可以通过化学工作者的“分子设计”， 创造出备种新品种，能满足各个领域的应用，特别是在农业、轻工、节能、医 学、土木建筑、电气仪表、宇航工业等领域开发了新的用途。近几年，聚氨酯树 脂的原料生产，从全球角度分析，已逐步趋向大型、连续化、电脑程序化控制。 其中m d i 生产装置，不仅采用联产4 ，4 m d i 及p a p i 的生产装置，而且单个装 置生产能力，从1 9 8 6 年的9 万吨级提高到1 9 9 8 年的1 6 万t 级水平。聚醚多元 醇也一样，从釜式连续化生产，最近，还出现管道反应装置，使设备投资大大降 低。 p u 制品的生产进展很快，设备日新月异。聚氨酯软泡从简单的箱式发泡、 块状连续发泡工艺，发展到现时的平顶发泡技术、垂直发泡技术以及c o 。连续发 泡技术等。硬质泡由低压发泡机、高压发泡机，变成现在的高压无空气喷涂发泡 技术、多层压连续发泡技术