（材料学专业论文）smat纯铁退火及渗氮行为研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 气体渗氮是目前工业上应用最广泛的金属材料表面强化技术之一，它可有效地提 高工件表面的硬度、强度、抗腐蚀能力和抗摩擦磨损能力。然而，由于反应动力学和 热力学方面的限制，气体渗氮过程一般需在5 5 0 。c 以上长时间保温进行。此工艺不但 使气体渗氮工艺成本提高，也对材料心部的力学性能和工件尺寸精度产生了严重的影 响。因此，降低气体渗氮温度、加速反应动力学过程是钢铁材料表面渗氮研究的主攻 方向。 本工作采用最近发展的表面机械研磨技术( s m a t ) ，在纯f e 样品表面制备出纳米 结构表层，而后对其退火和气体渗氮行为进行了研究。利用x 一射线衍射( x r d ) 、透射 电镜( t e m ) ；f i i 扫描电镜( s e m ) 等分析手段对渗氮层进行了结构表征，并对氮原子在纳米 结构表层的扩散激活能进行了粗略测定。主要研究结果包括： 1 、s m a t 纯铁在较高温度下退火后仍具有较好的热稳定性。在5 0 0 0 c 退火1 个小 时，s a m t 纯铁的表层和次表层均未发生再结晶，但晶粒尺寸已明显发生长大，处于 微米量级。当退火温度过高时，s m a t 纯铁表面的纳米结构层的热稳定性就会丧失， 在5 5 0 0 c 退火时，s a m t 纯铁表层发生了充分再结晶，而次表层没有发生再结晶，但 该层硬度明显降低。 2 、表面机械研磨技术( s m a t ) 极大地提高了纯铁的渗氮能力。氮原予在c l f e 中的 扩散激活能测量值为4 6 3 9 k j m o l ，仅有粗晶纯铁( 7 6 k j t 0 0 1 ) 的0 6 倍，样品的渗氮层层 深与其渗氮处理时间的关系满足经验公式f 一= k f 3 、实现低温渗氮的主要原因在于纳米纯铁中存在着大量的晶界和其它结构缺陷。 这些缺陷使得氮原子在纳米材料中的扩散速度加快，在样品表层易形成高的氮浓度， 并且可大幅度提高氮化物的低温形核率。同时，纳米材料有较高的自由能，改变了渗 氮反应的热力学条件，使得气体渗氮反应易于在低温下进行。 4 、s m a t 纯铁气体渗氮( 5 0 0 。c ) 处理后，微晶结构的渗氮层沿深度方向根据其结构 特点可被分为四层。表层为化合物层，主要由。f e 3 2 n 相和7 - f e 4 n 相组成，显微硬度 可达到6 5 0 h v ；第二层为强塑性变形f 亚微米晶) 渗氮层，t e m 观察发现在该层有大量 细小的颗粒状氮化物析出；第三层为塑性变形渗氮层，该层有大量弯曲的针状或线状 氮化物析出；最后是基体渗氮层，有大量直的针状y f e 4 n 相析出。微晶结构的渗氮层 具有较高的硬度和耐磨性。 关键词：纳米材料，表面机械研磨处理，气体渗氮，纯f e ，退火，扩散激活能。 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t t a c t a b s 仃a c t g a s e o u sn i t r i d i n gi so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e ds u r f a c ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u e st o e n h a n c et h es u r f a c eh a r d n e s s ，a n t i c o r r o s i o np r o p e r t i e sa n dw e a rr e s i s t a n c eo fm e t a l l i c m a t e r i a l s h o w e v e r ，t h en i t r i d i n gp r o c e s s e sa r eu s u a l l yp e r f o m l e da th i g h e rt e m p e r a t u r e s ( a b o v e5 5 0 。c ) f o rs u b s t a n t i a lp e r i o d so ft i m e ，w h i c hg r e a t l yl i m i t sa p p l i c a t i o n so ft h i s t e c h n i q u ei ni n d u s t r i e s l o w e r i n gt h en l t r i d i n gt e m p e r a t u r e sh a s r e c e i v e d c o n s i d e r a b l e i n t e r e s t si nr e c e n td e c a d e s i nt h i sw o r k ，w ep r e p a r e dan a n o s t r u c t u r e ds u r f a c el a y e ro nap u r ei r o nb ym e a n so fa s u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ( s m a t ) a n dt h e na n n e a l i n ga n dg a s e o u sn i t r i d i n g b e h a v i o r so ft h es a m p l e sa f t e rs m a tw e r ei n v e s t i g a t e d t h ea c t i v a t i o ne n e r g yf o rn i t r i d i n g w a sc a l c u l a t e df o rs m a ts a m p l e si nt e r m so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h em a i nr e s u l t s i n c l u d e ： 1 t h es m a ts a m p l ew i t has u r f a c en cl a y e rw a sf o u n dt ob es t i l lt h e r m a l l ys t a b l ea f t e r a n n e a l i n ga t ah i g h e rt e m p e r a t u r e t h e r ew a sn or e c r y s t a l l i z a t i o ne v i d e n c e so ns m a t s a m p l ea n n e a l e da t5 0 0 0 cf o rl h ，b u tt h eo b v i o u sg r a i ng r o w t ho c c u r r e d w h e nt h es m a t s a m p l ea n n e a l e da tah i g h e rt e m p e r a t u r e ，i tw i l ll o s et h es t a b i l i t y t h er e c r y s t a l l i z a t i o nw a s n e a r l yc o m p l e t e di nt h es u r f a c el a y e ro ft h es m a ts a m p l ea n n e a l e da t5 5 0 。c t h es e c o n d l a y e rw a sn o tr e c r y s t a l l i z e da n di t sm i c r o h a r d n e s sw a sc u td o w n 2 t h es m a tf ew i 廿lt h en a n o s t r u c t u r e ds u r f a c el a y e rg r e a t l yf a c i l i t a t e st h en i t r i d i n g p r o c e s s t h ea c t i v a t i o ne n e r g yf o rn i t r i d i n gb e i n ga b o u t4 6 3 9k j m o l f o rt h es m a tf e s a m p l e ，i sm a r k e d l ys m a l l e rt h a nt h a t f o rc o a r s e g r a i n e df e ( 7 6 k j m 0 1 ) t h eg r o w t ho f n i t r i d e dl a y e ro ds u r f a c en a n o c r y s t a l l i z e ds a m p l ef o l l o w e dae m p i r i c a le q u a t i o n 亭1 “= k r 3 + t h em u c hr e d u c e dn i t r i d i n gt e m p e r a t u r ea n de n h a n c e dk i n e t i c sf o rt h es m a ts a m p l e s c a nb ea t t r i b u t e dt on a n o s c a l eg r a i n ss i z e sw i t hal a r g ea m o u n to fd e f e c t ss u c ha sg r a i n b o u n d a r i e s t h e s ed e f e c t sn o to n l yp r o v i d e dm o r en u c l e a t i o ns i t e sf o rn i t r i d e s ，b u ta l s o g r e a t l ye n h a n c e da t o m i cd i f f u s i o nt h a tf a c i l i t a t e dt h en i t r i d i n gp r o c e s s t h eh i g hd e n s i t yo f n o n e q u i l i b r i u md e f e c t s 、i ma ne x c e s se n e r g yi nt h es m a ts a m p l ew h i c hc a l li n c r e a s et h e d r i v i n gf o r c ef o rn i t r i d ef o r m a t i o nm a ya l s oc o n t r i b u t et ot h ee n h a n c e df o r m a t i o nk i n e t i c so f e - f e 3 - 2 np h a s ei nt h en c 一f e i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 4t h es u r f a c el a y e ro fs m a ts a m p l ea f t e rn i t r i d i n gu n d e r5 0 0 。cc a nb es u b d i v i d e di n t o f o u rs e c t i o n sa l o n gd e p t hf r o mt h et o ps u r f a c e ，i e ，c o m p o u n dl a y e r ，n i t r i d e ds n b m i c r o s i z e dr e g i m e ，n i t r i d e dp l a s t i cd e f o r m a t i o nr e g i m ea n dn i t r i d e dm a t r i x t h ec o m p o u n dl a y e r i sm a i n l yc o m p o s e do f t f e 2 3 na n dt - f e 4 nn i t r i d e s ，a n dt h eh a r d n e s si sa b o u t6 5 0 h va tt h e t o ps u r f a c el a y e r u n d e r n e a t ht h ec o m p o u n dl a y e r ( n l t r i d e ds u b m i c r o s i z e dr e g i m e ) i sa m i x t u r eo fu l t r a f i n en l t r i d e sa n d 伐一f es o l i ds o l u t i o n t h en l t r i d e dp l a s t i cd e f o r m a t i o nl a y e r a n dn i t r i d e dm a t r i xc o n t a i n eal o to f n e e d l e l i k ey - f e 4 np h a s e s t h eg a s e o u sn i t r i d i n go f t h e s m a tf es a m p l ew i t hn a n o s t r u c t u r e ds u r f a c el a y e rl e a d st ot h ei m p r o v e m e n to ft h es u r f a c e p r o p e r t i e s ，s u c ha st h eh a r d n e s sa n dw e a r k e y w o r d s ：n a n o c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ， n i t r i d i n g ，i r o n ，a n e a l i n g ， s u r f a c em e c h a n i c a la t t r i t i o nt r e a t m e n t ( s m a t ) d i f f u s i o na c t i v a t i o ne n e r g y 。 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：真粥彩塔 日期：。d ； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名，否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学住论文第一章绪论 1 1 气体渗氮 第一章绪论 化学热处理是提高钢铁材料零件使用性能和寿命，充分发挥材料潜力的重要手 段。渗氮是表面化学热处理的一个重要分支，能提高材料表面的硬度、耐磨性、疲劳 强度及抗腐蚀性能，在机械制造行业中拥有广泛的应用。 在活性氮气氛中，钢铁零件在某一温度保温一定时间，使氮原子渗入工件表面的 化学热处理过程称为气体渗氮t l , 2 1 。经渗氮处理的零件具有如下特点口】： ( 1 ) 高硬度和高耐磨性。氮化后表面硬度的提高是一般淬火或渗碳淬火工艺达不到 的。 ( 2 ) 较高的疲劳强度。由于渗层的固溶强化与弥散硬化，提高了渗氮层的强度，同 时，在渗氮层中由于相变的比容变化产生了很大的残余压应力，使渗氮件疲劳强度显 著提高，并且使工件的缺口敏感性降低。 ( 3 ) 红硬性和抗咬合性。渗氮表面在5 0 0 。c 以下可长期保持较高的硬度，短期加热 到6 0 0 。c ，其硬度仍不降低。故渗氮零件在短时间缺乏润滑或过热的条件下，具有较 高的抗粘着、抗胶合的能力。 ( 4 ) 较高的抗蚀性。渗氮后零件表面形成了一层致密且化学稳定性较高的氮化物 层，显著地提高了材料的抗腐蚀性能，能有效地抵抗大气、雨水、水蒸气、苯、油污 以及弱碱性溶液等的腐蚀。 ( 5 ) 变形小。出于渗氮温度低，一般为4 8 0 5 8 0 。c ，零件心部无组织转变，所以 氮化变形小，而且可按其变形的规律加以掌握和控制。 1 1 1 铁氦平衡状态图 根据f e _ n 平衡状态图【4 】( 图1 _ 1 ) 所示，在f e - n 系中可形成五种相：、y 、 和( 相。现将这几种析出相及其组织、性能分述如下【5 q j ： a 相为氮在体心立方结构一f e 中的间隙固溶体。氮原子位于c 【f e 点阵的八面体 间隙中。在5 9 0 0 c 时，其最大含氮量为0 1 1 w t ，而在室温只有o 0 0 4 w t ，该相具有 铁磁性。 y 相为氮在y f e 中的间隙固溶体，其点阵常数随氮含量的变化较大，例如当氮含 量为1 4 5 w t 时，y 相的点阵常数为3 6 1a ，而当氮含量为2 7 9 w t 时则为3 6 4a 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 n l 打q 0 拍a l g 4 1 1 ”p e r1 i r o n - 哪 图1 1f e n 平衡状态图 f i g 1 1f e - n p h a s ed i a g r a m 氮原予无序的分布在y f e 的八面体间隙中。该相存在于5 9 0 。c 以上，其最大含氮量为 2 8 6 、v t 。 y 相是以f e 4 n 为基的固溶体，具有面心立方点阵结构，氮原子有序地排列在面心 立方点阵晶胞的中心中。该相的含氮量为5 7 6 1 w t ，有较好的强度、硬度和耐磨 性。r 相是铁磁相，在温度低于6 7 0 。c 时稳定，当温度高于6 7 0 。c 时转变成相。 相为以f e 3 2 n 为基的固溶体，密排六方点阵结构，氮原子位于八面体间隙中， 含氮量为8 2 5 1 1 2 w t 。相很脆，但其具有良好的耐腐蚀性和很高的硬度。 相为以f e 2 n 为基的固溶体，斜方点阵结构，也可看作略经变形的六方点阵，大 量氮原子引起点阵中铁原子的剪切位移。 工 - 一 口 町 - r - d i s t a n c e ( m ) 图3 9s m a tf e5 5 0 。c 退火后显微硬度曲线 f i g 3 9m i c r o h a r d n e s sv a l u e sa l o n gt h ed e p t hf r o mt h et o ps u r f a c ef o rt h ef es a m p l ea n n e a l e da t5 5 0 。c 东北大学硕士学位论文第三章表面机械研磨( s m a t ) 纯铁退火行为研究 面，使得纯铁样品表面产生了强烈塑性变形，从而获得了与内层材料组织结构完全不 同的具有一定厚度的塑性变形强化层。如3 1 0 示意图所示，处理后的样品具有塑性变 形随距表面深度增加而减小，变形的应变量和应变速率也随着样品厚度的增加，从上 表面最大至无应变层减小到零，而晶粒尺寸随距离表面深度增加而增大的特点。样品 表面1 0 5 0 u m 处，塑性变形量和应变速率很大，储存了较高的微观应变，所以晶粒尺 寸较小，平均大约1 0 l o o n m 左右。由于在这一强化层内形成了高密度的位错和细小 的亚晶粒，样品的硬度值也有了较大的提高。 退火过程一般会导致储存能释放，晶粒长大，但s m a t 纯铁样