40Cr钢和GCr15钢的表面纳米化研究
高频冲击滚压处理40Cr钢的纳米化机理和综合性能研究
高频冲击滚压处理40Cr钢的纳米化机理和综合性能研究40Cr钢在机械制造业中得到了广泛的应用,经过适当的热处理以后能够获得良好的综合力学性能,常用于轴类、齿轮以及中型塑料模具等机械零部件的制造。
但是在工作过程中会以磨损、疲劳损伤、腐蚀等机制引发失效而造成严重后果。
本文釆用高频冲击滚压设备对40Cr钢进行表面纳米化处理。
通过测量高频冲击滚压处理后距表层不同深度的硬度变化、残余压应力的变化、表面粗糙度以及利用X射线衍射仪和透射电镜等表征手段对处理后40Cr钢的微观组织进行表征,分析40Cr钢的表面纳米化机理;对比研究分析高频冲击滚压处理前后40Cr 钢的磨损量、摩擦系数、磨损形貌以及不同加载载荷下的磨损机制;最后对比研究了对应于3×10~6循环下的高频冲击滚压处理与未处理40Cr钢试样的疲劳强度。
主要结论如下:(1)经过超声冲击滚压产生大约100μm左右的硬化层;处理后试样表面与原始试样表面的最大硬度分别是318 HV和185 HV,其表层硬度提高了71.8%,经过高频冲击滚压处理之后,表层的最大残余压应力值为-861 MPa,其有效深度约为1.58 mm,同时表面粗糙度从0.8减少到0.16。
位错缠结导致晶粒细化过程、亚晶粒向纳米晶的转化和珠光体叠层结构破坏的现象构成了被加工的40Cr钢的表面纳米化机理。
(2)40Cr钢经高频冲击滚压理后,磨损量明显减少,尤其是当加载载荷为50 N 时,其磨损量分别是0.7 mg和4.7 mg,未处理40Cr试样的磨损机制随着载荷的增加由微氧化磨损和粘着磨损转变为疲劳磨损,而对去纳米化的试样的磨损机制是氧化磨损和粘着磨损,并未出现疲劳磨损。
结果表明,高频冲击滚压处理可以改善材料的磨损性能。
(3)疲劳断口分析表明:对应于3×10~6循环的高频冲击滚压试样与未处理的40Cr钢试样相比其疲劳强度提升了18.4%。
断口观察发现疲劳裂纹都萌生于试样的表面,但是经过高频冲击滚压处理后试样的裂纹源数量比未处理试样少。
高级优质轴承钢GCr15线材的研究与开发
金属材料与冶金工程METAL MATERIALS AND METALLURGY ENGINEERING高级优质轴承钢GCrl5线材的研究与开发邢耀进，陈军，王旭冀(湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湖南湘潭411101)摘要：通过研究分析轴承钢GCrl5生产过程中炼钢工序全氧、钛及偏析的影响因素，并加以控制，以及采用二火成材的新工艺，成功试验生产出高级优质轴承钢G&15线材。
试验生产的轴承钢GCrl5的连铸 坯成分偏析控制在1.05以下、钛含量为0.003 0%以下，全氧含量控制在0.000 9%以下；成品材上检验夹杂物评级B类为0.5级、D类为0.5级，且无氮化钛夹杂；碳化物控制较一火工艺改善效果显著，碳化物液析均控制在0.5级以下，碳化物带状控制在1.0级以下，无显微缩孔缺陷；轧材成品检验中心疏松、一般疏松 和偏析均矣0.5级。
关键词：轴承钢；纯净度；碳化物中图分类号：TG142.4 文献标识码：A文章编号：2095-5014 (2021) 02-0009-07Research and Development of High Quality BearingSteel Wire Rod GCrl5XING Yaojin, CHENG Jun, WANG Xuji{Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co. ,Ltd.,Xicuigtan 411101,China)ABSTRACT ：Through analyzing and controlling the influence factors of total oxygen,titanium and segregation in the steel making process,and adopting the new technology of twice heating forming,high quality bearing steel GCrl5 wire was successfully produced.The composition segregation of bearing steel GCrl5 produced in the trial is controlled below grade 1.05, titanium content is below 0.003 0%and total oxygen content is below 0.000 9%.The inclusion level of finish product is：class B level0.5, class D level 1.0.And there is no titanium nitride inclusion in the finished pared with the one heating process,the carbide is significantly improved.The carbide eliquation is controlled below grade 0.5, the banded carbide structure is controlled below grade 1.0, and there is no micro shrinkage.The center porosity,general porosity and segregation after rolling are no more than grade0.5.K E Y W O R D S：bearing steel；purity；carbide轴承钢产品在工业、农业、国防等领域应 用非常广泛。
40CrNiMo钢硬态切削过程及表面形貌研究的开题报告
40CrNiMo钢硬态切削过程及表面形貌研究的开题报告一、选题背景随着工业化的快速发展，高强度、高韧性和高耐磨性的材料需求在不断提高。
40CrNiMo钢作为一种优质的合金结构钢，其材料性能被广泛应用于大型机械制造、船舶制造、航空航天、核能及石油化工等领域。
切削是40CrNiMo钢加工的一种重要工艺，其切削加工质量和效率直接影响着工件的成品率和成本。
因此，研究40CrNiMo钢硬态切削过程及表面形貌，优化切削参数和提高加工质量，具有重要的应用价值和理论意义。
二、研究内容与目的本研究旨在通过对40CrNiMo钢硬态切削加工的实验研究，探究切削参数对加工表面形貌和加工效率的影响，并借助现代加工技术和分析手段，分析加工过程中形成的切屑、热影响区等影响加工质量的因素，并提出相应的优化措施和建议。
具体研究内容包括：1. 利用数控车床对40CrNiMo钢硬态进行切削加工，得到切削力、表面形貌等数据。
2. 分析切削过程中形成的切屑、热影响区等对加工质量的影响。
3. 探究切削参数对加工效率、表面质量的影响规律。
4. 提出相应的优化措施和建议，以提高加工质量和效率。
三、研究方法与进度计划1. 实验：通过数控车床的切削过程实验，获取切削力、表面形貌等数据。
2. 数据分析：通过对实验数据的搜集和统计分析，分析切削过程中，切削参数、切削力等对加工表面质量的影响。
3. 文献综述：通过查阅相关文献，分析40CrNiMo钢硬态的机械性能和加工特点等，为实验设计和数据分析提供理论依据和参考。
4. 进度计划：第一周：了解选题，查阅相关文献，制定实验计划。
第二周：进行实验，获取切削力、表面形貌等数据。
第三周：对实验数据进行分析和处理，得出初步结论。
第四周：撰写开题报告，并进行讨论和改进。
调整实验计划和研究方法。
四、预期研究成果本研究预期在探究40CrNiMo钢硬态切削过程及表面形貌，优化切削参数和提高加工质量方面，取得一定的研究成果。
40Cr钢表面纳米化的研究
距表 面距 离增加 而增 大 ， 米化 主要 是 位 错 运动 的 结 果 ；经 Ｓ Ｐ 纳 Ｆ Ｂ处理 后 表 层 的显 微 硬度 提 高到
５ ６ Ｖ， 随着深度 的增加 硬度迅 速 降低 。 ２Ｈ 且
关键 词 ：超音速 微 粒轰击技 术 ； ０ ｒ ；纳米 结构表 面层 ； ４Ｃ 钢 显微硬 度
中图分 类 号 ： Ｇ ７ Ｔ １８ 文献标 识码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｏ ｒ ａ ｅ Ｎａ ｏ ｒ ｓ ａ ｌｚ ｔｏ ｆ４ ｓ ａ ｃ Ｕ Ｓｕ ｆ ｃ ｎ ｃ ｙ ｔ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ０Ｃｒ Ｓｔｅ ｉ ｅｌ
Ｌ ａ—ｏ ｇ ， Ｉ ａ — ａ Ｅ Ｌ — ｎ Ｕ Ｚ ｅ ｇｘｎ ，Ｕ Ｕ Ｚ ｏ ｇｌ ｎ Ｕ Ｃ ｉｈ ｎ ＪＮＧ Ｘｉｏ ｔ ｎ ，Ｇ ｉ ｉｇ ，Ｌ ｈ ｎ —ｉ ｉ ｌ ｈ ｎ —ａ ｇ ｉ
４０ ８
西安理工大学学报 Ｊｕ ａ ｏ ｉａ ｎｖｒ ｔ ｏ ｅｈ ｏ ｇ（ ０ ８ ｏ．４ Ｎ ． ｏ ｒ ｌ ｆ ’ｎＵ ｉ ｓｙ ｆ ｃｎｌ ｙ２ ０ ）Ｖ １ ｏ４ ｎ Ｘ ｅ ｉ Ｔ ｏ ２
表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的研究进展
表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的研究进展摘要：多数工程结构材料的失效都是从表面的薄弱环节开始发生或者传导，从而引起材料的性能下降，使用寿命缩短。
受生物材料的梯度结构启发，近年来开发了多种表面纳米化技术，成功在工程材料表面制备了晶粒尺寸从表层纳米尺度连续变化到内部宏观尺度的梯度纳米结构，强化和保护了材料表面，有效地解决了上述问题。
结合国内外表面纳米化的研究结果，综述了金属材料梯度纳米材料的研究进展。
首先，介绍了梯度塑性变形、物理化学沉积等表面纳米化加工技术的最新进展。
其次，对梯度等轴纳米晶、梯度纳米层片和梯度纳米孪晶等多种表面纳米化材料的微观结构进行了归纳，并对最新发展的梯度纳米结构材料表层晶粒的晶体学取向等微观信息表征方法进行了系统地阐述。
随后，总结了梯度纳米结构对工程材料的表面强度、塑性、强-塑匹配、加工硬化、疲劳、耐磨、腐蚀和热稳定性等性能的影响。
最后展望了表面纳米化技术制备梯度纳米结构金属材料的发展趋势及工程应用所面临的挑战。
关键词：表面纳米化；梯度塑性变形；物理沉积；化学沉积；纳米结构；微观结构；摩擦金属材料是国家经济建设、国防建设和社会发展的重要支撑，开发、设计和制备性能优异的结构金属材料一直是凝聚态物理、材料科学等研究前沿。
自20 世纪90 年代，德国科学家Gleiter 教授提出“纳米材料”的概念以来[1]，纳米颗粒、纳米线、纳米多层薄膜、纳米晶、纳米孪晶和纳米梯度结构等各种新型纳米结构材料应运而生[2-3]。
与传统的粗晶材料相比，纳米结构金属材料具有微小的结构及独特的物理、化学和力学等性能[4]。
这些特点和优势为基础研究提供了新的契机，也为纳米科学技术的创新与大规模的工业化提供了新的机遇。
近年来，塑性变形细化结构制备超细晶或纳米晶得到了深入研究。
细化微观结构能将材料的屈服强度提高几倍甚至十几倍[4]。
但是，当应变量达到某一临界值时，材料的结构尺寸和强度不再随应变的增加而发生变化[5]。
表面纳米化诱导GCr15钢渗碳体溶解行为研究
纳 米 晶材料 的有 效 方法 之 一 变形过程中渗碳体 发生 部分 溶 解 的 现 象 ｊＧ ｉｎｖ和 Ｇａｒｙｋ在 １； ｒ ｅ ｄ ｒｖｉｕ ｌ １７ 年采用穆斯 堡尔谱技术定量分 析 了渗碳体 ９２ 的溶解分数 ； ｈａｉ Ｏ ｓｋ 曾依据 Ｔ Ｍ分析结果 ， Ｅ 总 结 了机械研磨过程中珠光体钢中渗碳体的溶解现
ｃ ｒｅｐ ｎ ｉｇ ｔ ｅ ｎｉ ｒｉ ａ ｄ ｎｉ ｅ ｎ ｔｅ ｓｌｃｅ ｒａ ｅｅ ｔ ｎ ｄｆ ａ ｔ ｎ（Ｓ Ｄ ） ｏｒｓ ｏ ｄｎ ｏ ｃ ｍｅ ｔ ｅ ｇａｎ ｗ ｓ ｉｅ ｔ ｄ ｉ ｈ ｅｅ ｔｄ ａｅ ｌｃｉ ｉ ｒｃｉ ｔ ｉ ｆ ｏ ｆ ｏ ＡＥ
Ｔ Ｍ 观 察在 Ｊ Ｍ ０ Ｘ透 视 电子 显微 镜 上 Ｅ Ｅ ２ ０Ｃ 进行 ， 作 电压为 １０ｋ 操 ６ Ｖ。Ｔ Ｍ 样 品采用 单 面离 Ｅ
子减 薄 的方 法制 备 。 ３Ａ Ｄ Ｐ分 析 在 超 高 真 空 （ ３ ． ２ × １ 。 １３ ３２ ０ Ｐ ）２ｋ ｚ 冲 电压 下 ，０Ｋ的环境 中进 行 。 ａ ， Ｈ 脉 ７
ｈｉｈ ｒｔ ａ ｈ ｔｉ ｈ ｔ ｘ，ｗｈ ｃ ｕ ｇ ｓｅ ｅ ｎ ｉｅ ｄ ｓ ｏｖ ｄ ｉ ｈ ｒ ｃ ｓ ｆ ｓ ｒａ ｅ ａ ｏ ｇ ｅ ｈ ｎ ｔ ａ ｎ ｔ ｅ ｍａ ｒ ｉ ｉｈ ｓ ｇ ｅ ｔ ｄ ｃ ｍｅ ｔｔ ｉｓ ｌ ｅ ｎ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｕ ｃ ｎ ｎ — ｆ ｃ ｙ ｔ ｌｉａｉ ｎ ｒ ｓａｌｚ ｔｏ ．Ｔｈ ｅ ｕｔ ｆＭ８ ｓ ａ ｅ ｐ ｃｒ ｓ ｏ ｙ ｉ ｄ ｃ ｔ ｄ ｔ ａ ａ ｔａ ｅ ｎ ｉｅ ｄ ｓｏ ｖ ｄ ｉ ｈ ｅ ｒ ｓ ｌ ｏ ｓ ｂ ｕ ｒｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｉａｅ ｈ ｔｐ ｔｉｌｃ ｍｅ ｔｔ ｉｓ ｌｅ ｎ ｔ ｅ ｓ ｐ ｏ ｅ ｓ ｈ ａ ｕ ａｉ ｎ ｏ ｅ ｎ ｉｅ ｄ ｓｏｕｔ ｎ ｉ ｂ ｕ ７％ ．Ｅｖ ｌ ｔｏ ｆｃ ｍｅ ｔ ｅ ｉ ｖ ｌｅ ｈ ｅ ｒ ｃ ｓ ．ｔ ｅ ｓ ｔ ｒｔｏ ｆｃ ｍｅ ｔｔ ｉｓ ｌ ｉ Ｓ ａ ｏ ｔ４ ｏ ｏｕ ｉｎ ｏ ｅ ｎ ｉ ｎ ｏ ｖ ｄ ｔ ｒｅ ｔ
超音速微粒轰击对GCr15SiMn_轴承钢表面纳米化与摩擦磨损性能的影响
第52卷第7期表面技术2023年7月SURFACE TECHNOLOGY·425·超音速微粒轰击对GCr15SiMn轴承钢表面纳米化与摩擦磨损性能的影响李林芳，贺甜甜，杜三明，岳赟，刘建，傅丽华，张鑫，张永振 （河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳 471023）摘要：目的利用超音速微粒轰击对GCr15SiMn轴承钢表面进行强化处理，并研究超音速微粒轰击对材料表层组织、力学性能及摩擦磨损性能的影响。
方法采用三维显微形貌仪、透射电镜、背散射电子仪、扫描电镜、X射线残余应力分析仪、显微硬度仪等仪器观测GCr15SiMn轴承钢强化前后的微观组织、表面粗糙度、力学性能，并使用UMT-2摩擦磨损试验机对试样强化前后的摩擦磨损性能进行检测。
结果经过超音速微粒轰击强化处理的GCr15SiMn钢试样的表面粗糙度增加，表层结构发生严重的塑性变形，形成约20 μm厚的塑性变形层，片状马氏体细化至纳米级，平均晶粒尺寸约为13 nm，碳化物平均粒径由0.48 μm减小到0.45 μm，数量增加了约18%。
试样表层引入了300 μm的硬化层，表面硬度从740HV0.05提高到了996HV0.05，距表面10 μm处出现硬度最高值为1 056HV0.05，硬度提高了42.7%。
试样引入深度为60 μm的残余压应力层，样品表面残余应力为‒1 246 MPa左右。
经过超音速微粒轰击后，强化试样平均摩擦因数略高于原始试样，而磨损率得到了大幅度降低，磨损机理主要为磨粒磨损，伴有少量的氧化磨损和黏着磨损。
结论经过超音速微粒轰击的GCr15SiMn轴承钢表面粗糙度增加，表层晶粒细化至纳米级；表层构建了残余应力层和硬化层；强化引入的残余应力和因强化处理引起的加工硬化、细晶强化改善材料的耐磨性。
关键词：超音速微粒轰击；GCr15SiMn轴承钢；微观组织；力学性能；摩擦磨损性能中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)07-0425-10DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.07.039Surface Microstructure and Tribological Properties of GCr15SiMn Bearing Steel under Supersonic Fine Particle BombardmentLI Lin-fang, HE Tian-tian, DU San-ming, YUE Yun, LIU Jian,FU Li-hua, ZHANG Xin, ZHANG Yong-zhen(National United Engineering Laboratory for Advanced Bearing Tribology, Henan University收稿日期：2022–05–12；修订日期：2022–09–24Received：2022-05-12；Revised：2022-09-24基金项目：国家自然科学基金（51905153，52005160）；国家重点研发计划（2018YFB2000302）；河南省科技攻关项目（212102210117）；清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金项目（SKLTKF21B10）Fund：The National Natural Science Foundation of China (51905153, 52005160); the National Key Research and Development Program of China (2018YFB2000302); Programs for Science and Technology Development of Heˊnan (212102210117); Open Fund Projects of State Key Laboratory of Tribology Tsinghua University (SKLTKF21B10)作者简介：李林芳（1997—），女，硕士生，主要研究方向为材料摩擦学。
GCr15轴承钢双细化工艺研究
GCr15轴承钢制各性能测试
标准试样经过表2所列出的热处 理工艺处理后，对试样分别进 行碳化物尺寸、晶粒度、金相组 织、硬度、冲击、拉伸、耐磨性 等性能进行检验。
（1）碳化物尺寸检验 采 用线切割方法横向切断两工艺处 理后试样各3个，经磨制后冷酸 腐蚀试样截面，在扫描电镜下放 大5000倍测量其碳化物尺寸，具
（c）
（a）
（b） 图3 工艺Ⅱ试样碳化物分布
（c）
（a）
（b） 图4 工艺Ⅰ试样晶粒度图片
（c）
（a）
（b） 图5 工艺Ⅱ试样晶粒度图片
（c）
Hale Waihona Puke （a）（b） 图6 工艺Ⅰ试样金相组织照片
（c）
（a）
（b） 图7 工艺Ⅱ试样金相组织照片
（c）
热加工
53 2018年 第9期
H eat Treatment
热处理
工艺编号 1 2
表5 金相组织级别
试样编号
1 2 3 1 2 3
金相组织级别/级
马氏体
托氏体
3
1
3
1
3
0
1
0
1
0
1
0
工艺处理后各9根冲击试样进行 冲击试验测试，冲击试样开U 型缺口，冲击试验结果如表7所 示。
（6）拉伸性能测试 对两 工艺处理后各3根拉伸试样均进 行拉伸试验测试，拉伸试验结果 如表8所示。
60.0
61.8
工艺 编号
工艺Ⅰ 工艺Ⅱ
表7 冲击测试
试样编号
1 23 4
5
6
冲击吸收能量
7 89
4.08 3.34 4.1 4.1 4.25 3.34 3.33 3.94 3.63
钢铁材料表面纳米级硬化技术研究
钢铁材料表面纳米级硬化技术研究钢铁作为一种重要的材料，广泛应用于建筑、制造业和交通运输等领域。
然而，钢铁的表面硬度常常不能满足特定需求，因此研究钢铁材料表面纳米级硬化技术成为了一个重要的课题。
钢铁材料的表面硬度对于其性能和使用寿命至关重要。
传统的热处理方法可以提高钢铁的硬度，但这种硬化方法在实际应用中存在一些问题，例如高温处理会改变钢铁的组织结构，从而导致材料的强度和韧性降低。
近年来，纳米级硬化技术逐渐成为了一种有效的替代方法。
纳米级硬化技术通过在钢铁材料的表面形成纳米级硬化层，提高了材料的硬度和耐磨性。
同时，纳米级硬化技术不需要高温处理，避免了材料的组织结构改变。
目前，钢铁材料表面纳米级硬化技术主要有两种方法：化学方法和物理方法。
化学方法利用一些化学反应，在钢铁材料的表面形成纳米级硬化层。
例如，利用硝酸盐法可以在钢铁材料的表面生成一层硬度很高的氧化物层。
物理方法则利用一些物理现象，在钢铁材料的表面形成纳米级硬化层。
例如，离子注入技术可以通过将离子注入到钢铁材料的表面，形成纳米级硬化层。
除了化学方法和物理方法，还有一些新兴的纳米级硬化技术值得关注。
例如，表面改性技术可以通过喷射高能粒子，改变钢铁材料表面的性质。
这种方法可以在钢铁材料的表面形成一层纳米级硬化层，提高材料的硬度和耐磨性。
另外，纳米级涂层技术也是一种有效的纳米级硬化方法。
通过在钢铁材料的表面涂上一层纳米级涂层，可以增加材料的硬度和耐磨性。
钢铁材料表面纳米级硬化技术的研究不仅涉及表面硬度的提高，还包括材料的腐蚀和抗氧化性能的改善。
例如，研究人员通过在钢铁材料的表面形成一层氧化物层，可以提高材料的抗腐蚀性能。
另外，通过在钢铁材料的表面形成一层含有金属或合金的纳米级涂层，可以提高材料的抗氧化性能。
钢铁材料表面纳米级硬化技术的研究在实际应用中具有广阔的前景。
例如，通过在汽车发动机的活塞环表面形成纳米级硬化层，可以提高活塞环的耐磨性和密封性能，延长发动机的使用寿命。
表面机械研磨纳米化GCr15钢摩擦磨损性能研究
金属 纳米 材料 由于 晶粒 细 小 、 面 密 度 高 而 界
表现出独特的力学及 物理化学性能 ， 为高性能金
属 材料 的研 制 提供 了发 展空 间 。大量 试验 结果 表 明 ， 米钢 铁材 料 的性 能 和 力 学行 为 明显 优 于 传 纳
直接影响其使用性能及寿命。因此 ， 如果能在材
理前后的摩擦磨损性能。分析结果表 明， 试验 中处理时间为 １ ｒ ｎ ５ａ 是提 高其摩擦磨损性能的 ｉ
最佳 工 艺条件 。磨 痕 形貌 的扫描 电镜 观 察表 明 ， 着磨损 深度 的增 加 ， 随 主导磨 损机 制 由黏 着磨
损 转 变为磨 粒磨损 。
关键词 ： Ｃｌ 钢 ； Ｇｒ ５ 表面机械研磨处理 ； 摩擦磨损 ； 表面纳米化 中图分 类号 ：Ｇ１２ ３ 文 献标 志码 ： 文章编 号 ：０ ８— ７ ６ ２ １ ）２— ０ ７—０ Ｔ ４ ．３ Ｂ １０ ０ １ （０ １ ０ ０ ２ ５
纳米化处理后 ， 材料表 面层 的摩擦 因数降低到最
低 点 ０２ 。 ． ７
ｍｅｈｎｃｌａｒｉｎ ｒａ ｎ ［Ｊ ．Ａ ｔ ｃａ ｉ ｔ ｔ ｔ ｔ ｔ ］ ｃａ ｔ ， ０ ３ ５ ： ａ ｔ ｏ ｅ ｍｅ ｉ Ｍａ ｒ ２０ ， ｅ １
１ ７１—１ ８１ ８ ８ ．
【 ］ Ｓ ｎＨ Ｑ，ｈ Ｚ ａｇ Ｍ Ｘ，ｔａ． ｌ ｔ ｔ ｉ－ ｄ ｃｄ ９ ｕ Ｓ ｉＹ Ｎ， ｈ ｎ ｅ １ Ｐａ ｉ ｓａｎｉ ｕｅ ｓｃ ｒ ｎ
Ｇ Ｃｒ ５ ｓ ｅ ｌｉ ｕｃ ｄ ｙ ｔ ｅ ｓ ｆ ｃ ｅ ｈａ ｉ ａ ｔｒｔｏ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｌ ｔ ｅ ｎｄ ｅ ｂ ｈ ｕｒ ａ ｅ ｍ ｃ ｎ ｃ ｌａ ｔ ｉｉ ｎ ｔ ｅ ｔ ｎ
40CrNiMo与GCr15的焊接性能试验研究
40CrNiMo与GCr15的焊接性能试验研究摘要】通过试验研究40CrNiMo与GCr15钢的焊接性能，以实现实用新型专利“铁路用分体式捣镐”在实际生产中的应用，降低了捣镐的制造及使用成本。
试验结果表明，通过焊接，能够获得优良的40CrNiMo与GCr15钢异种钢焊接接头，采用分体结构制造捣镐具有实用性。
一、概述捣镐是铁路机械捣固车中的重要零件，属磨损易耗件，过去主要依赖进口，使用成本很高。
本课题组在捣镐国产化研究的基础上，发明了一种实用新型专利“铁路用分体式捣镐”。
这种分体式捣镐具有很多优点，其主要特征是镐体和镐靴分开锻造，镐体采用40CrNiMo整体锻造成形，镐靴拟采用GCrl5锻造，通过焊接来连接镐体与镐靴。
通过研究40CrNiMo与GCrl5钢的焊接性能，使得实用新型专利技术“铁路用分体式捣镐”得以应用到实际生产当中去，降低了捣镐的制造成本。
二、试验内容1.试验材料试验材料的化学成分见表1、表2及表3。
2.试验材料热处理对40CrNiMo钢进行调质处理，经850℃油淬600℃回火2h，其显微组织如图1所示。
对GCrl5钢进行进行淬火一回火处理，在850℃油淬300％回火2h，其显微组织如图2昕示。
焊接材料显微组织如图3所示。
3.焊接及焊后性能测试40CrNiMo与GCrl5焊接属异种钢焊接，从焊接材料的选择、焊接工艺的制定到焊接过程的实施都必须遵循一定的原则。
考虑到捣镐工作情况，焊后的性能测试只进行焊接接头冲击性能测试及断口形貌分析。
由于捣镐工作时主要承受冲击载荷，焊接接头主要受到剪切应力和疲劳应力而产生破坏。
焊后对试样进行线切割，切割成10mm×10mm×55mm标准无缺口冲击试样。
在JB—36三用冲击试验机上进行冲击试验。
三、试验结果及分析1.焊接接头冲击试验从表4、表5可看出，焊接接头冲击韧度值比试验材料的冲击韧度值要大得多，说明焊缝在受到冲击载荷的时候，不会比母材金属先断裂。
40Cr钢和GCr15钢的表面纳米化研究
40Cr钢和GCr15钢的表面纳米化研究张俊宝*，刘玉亮，宋洪伟，吴 杰，史 弼，熊天英摘要：利用高能表面处理技术在40Cr钢和 GCr15钢表面制备了纳米晶表面层。
采用TEM和纳米压痕技术等分析测试了表面纳米晶层的组织结构与纳米硬度。
实验结果表明：经高能表面处理后，40Cr钢和GCr15钢表层组织均由分布均匀的纳米铁素体和渗碳体晶粒构成，表面至5 μm深度范围内的平均晶粒尺寸分别约为8nm和10 nm；表面层的纳米压痕硬度得到大幅度提高，分别达到8.0 GPa 和12.5 GPa，并随着深度的增加硬度迅速降低。
关键词：40Cr钢；GCr15钢；表面纳米化；微观组织；纳米压痕硬度1 引言近年来，纳米材料以其优异的性能已成为材料领域研究的热点之一[1,2,3]。
纳米材料由于晶粒细小（通常至少在一维方向上小于100nm），界面密度高、所占体积分数大，表现出独特的力学及物理化学性能[4,5]。
大量实验结果表明，纳米材料的力学行为和性能通常优于传统粗晶材料[6～8]，因此对粗晶材料进行晶粒细化处理使其晶粒达到纳米级（简称纳米化）将是一种不改变材料化学成分而提高其综合性能的新方法。
实际上，材料的失效大多发生在表面，表层的结构和性能直接影响着工程金属材料的综合性能指标。
所以表面改性技术成为一项重要的提高材料综合性能的实用技术[9]。
利用金属纳米材料的优异性能对传统工程金属材料进行表面结构改良，即制备出一层具有纳米晶体结构的表面层，将可能改善工程材料的综合力学性能及环境服役行为，在工业应用上具有重要价值。
本工作利用高能表面处理技术，在40Cr钢和GCr15钢表面制备出纳米晶表面层，利用TEM 观察分析了其微观组织结构，利用纳米压痕技术测试了样品沿深度方向的硬度。
2 实验本试验选择40Cr钢和GCr15钢为实验材料，其化学成分见表1。
材料经过调质处理后，得到由铁素体基体和细小的颗粒状渗碳体组成的回火索氏体组织。
40Cr超声表面滚压加工纳米化_王婷
第45卷第5期2009年5月机械工程学报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol.45 No.5May 2009DOI：10.3901/JME.2009.05.17740Cr超声表面滚压加工纳米化*王婷1王东坡1刘刚2龚宝明1宋宁霞1(1. 天津大学材料科学与工程学院天津 300072；2. 东北大学材料与冶金学院沈阳 110004 )摘要：采用超声表面滚压(Ultrasonic surface rolling extrusion, USRE)加工方法对调质态40Cr轴进行处理。
通过对处理表层进行微观结构观察发现：该加工方法既可以使表层纳米晶粒细化至3～7 nm，还可以使表面粗糙度水平降至0.05 µm；USRE 样品表面附近区域形成了厚度约为200 µm的流变组织，且晶粒尺寸沿厚度方向呈现梯度分布。
力学性能测试证明：USRE 试件表面显微硬度提高了63 %，表面残余应力最高为– 846 MPa，压缩应力层深度可达1 mm以上。
摩擦磨损对比试验表明：USRE方法能够降低金属表面摩擦因数，提高其抗磨损性能。
关键词：超声表面滚压加工 40Cr 微观结构纳米晶粒力学性能中图分类号：TG132.2 TG113.2240Cr Nano-crystallization by Ultrasonic SurfaceRolling Extrusion ProcessingWANG Ting1 WANG Dongpo1 LIU Gang2 GONG Baoming1 SONG Ningxia1(1. School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072;2. School of Materials & Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004)Abstract：Ultrasonic surface rolling extrusion (USRE) processing is applied on quenched and tempered 40Cr. Microstructure observations of USRE specimen surfaces indicate that the processing can both get nano-structured layers, with grain size of 3～7 nm, and reduce the surface roughness to 0.05 µm; plastic flow is formed from top surface to about 200 µm deep with graded distribution of grain size. Tests of mechanical properties show that microhardness of USRE specimen surface is increased by 63%; residual stress at the top surface can reach to –846 MPa and depth of residual stress layer is more than 1 mm. It has been determined by contrast wear test that USRE can reduce friction coefficient and improve the wear-resistant property.Key words：Ultrasonic surface rolling extrusion processing 40Cr Microstructure Nano-crystal Line Mechanical properties0 前言机械零部件和结构广泛地应用在各个工程领域。
低碳钢表面纳米化处理及结构特征
低碳钢表面纳米化处理及结构特征低碳钢表面纳米化处理是一种常用的技术，可以使钢材表面形成一层纳米级别的薄膜，从而提高其机械性能、抗腐蚀能力和耐磨性等特性。
本文将分步骤阐述低碳钢表面纳米化处理及其结构特征。
第一步：基本概念低碳钢是指含碳量在0.08%-0.25%范围内的钢材。
它具有优异的可锻性、可焊性、易加工等优点，是广泛应用于机械、汽车、轨道交通等行业的重要材料。
但是，低碳钢表面易受氧化、腐蚀、磨损等因素的影响，从而缩短了其使用寿命。
纳米化处理是一种通过化学、物理等手段使材料表面形成一层纳米级别的薄膜的技术。
这层薄膜可以对材料表面进行改性，从而提高其性能。
第二步：纳米化处理的方法常见的低碳钢表面纳米化处理方法包括物理气相沉积、溅射沉积、电化学沉积、离子注入等。
这些方法的共同点是将一种薄膜材料“镀”到低碳钢表面上，以形成一层纳米级别的薄膜。
其中，物理气相沉积是一种在真空环境下通过热蒸发等手段将材料沉积到表面的方法。
溅射沉积是利用高能离子轰击材料表面，将物质沉积在表面的方法。
电化学沉积则是通过电解法将材料沉积到表面的方法。
离子注入则是将某种离子注入到钢材表面，以改变其性质。
第三步：纳米薄膜的结构特征经过纳米化处理后，钢材表面形成的薄膜一般具有以下结构特征：1.纳米结构：薄膜中有大量的奈米晶体颗粒，其尺寸通常在10-100纳米之间。
2.多层结构：有些薄膜表面具有多层结构，其层数一般在2-5层之间。
3.非晶态结构：在一些特殊材料中，薄膜表面还可能呈非晶态结构。
4.纳米间隙：奈米颗粒之间有一定的间隙，呈现出孔径在几个纳米至十几个纳米之间的结构特征。
利用这些特征，可以对钢材表面进行改性，从而提高其性能。
综上所述，低碳钢表面纳米化处理是一种常用的技术，通过将薄膜沉积在钢材表面上，可以提高其性能。
薄膜具有纳米结构、多层结构、非晶态结构和纳米间隙等特征，可以为后续的改性提供理论基础。
未来，该技术有望在石油化工、航空航天、新能源等领域得到广泛应用。
合金钢铸钢件的纳米涂层制备技术研究与应用
合金钢铸钢件的纳米涂层制备技术研究与应用引言：合金钢铸钢件是一种广泛应用于工业领域的重要材料。
为了提高其性能和延长使用寿命，人们通过表面涂层技术来改善其性能。
纳米涂层技术作为一种新兴的涂层技术，具有很好的应用前景。
本文将对合金钢铸钢件的纳米涂层制备技术进行深入研究，并探讨其在工业应用中的潜力。
一、纳米涂层技术的研究现状1.1 纳米涂层的定义与特点纳米涂层是指涂层的厚度在纳米尺度范围内的涂层，具有很多独特的特点。
首先，纳米涂层具有高硬度和高耐磨性，可以显著提高合金钢铸钢件的表面硬度和耐磨性。
其次，纳米涂层具有优异的耐腐蚀性能，可以在恶劣环境中保护合金钢铸钢件的表面免受腐蚀的侵害。
此外，纳米涂层还具有表面光洁度高、摩擦系数低、耐高温性能优异等优点。
1.2 纳米涂层制备技术的研究进展目前，纳米涂层制备技术主要有物理气相沉积、化学气相沉积、物理溅射、电化学和磁控溅射等。
这些技术可以根据不同的需求选择合适的方法进行制备。
例如，物理气相沉积技术可以制备出具有高硬度和耐磨性的纳米晶涂层；化学气相沉积技术可以制备出具有良好耐腐蚀性能的纳米涂层。
1.3 纳米涂层技术在工业领域的应用案例近年来，纳米涂层技术已经在工业领域取得了一些成功的应用案例。
例如，采用纳米涂层技术可以制备出具有高硬度和耐磨性的切削工具，提高切削效率和使用寿命。
此外，纳米涂层技术还可以应用于汽车制造、航空航天、船舶工业等领域，提高材料的性能和延长使用寿命。
二、合金钢铸钢件的纳米涂层制备技术研究2.1 合金钢铸钢件表面性能的需求合金钢铸钢件作为重要的工业材料，其表面性能对于产品的质量和性能至关重要。
因此，研究合金钢铸钢件的纳米涂层制备技术具有重要的意义。
首先，必须保证涂层与合金钢铸钢件的结合力强，避免涂层脱落。
其次，涂层的硬度和耐磨性要高，能够有效保护合金钢铸钢件的表面免受磨损。
最后，涂层具有良好的耐腐蚀性能，能够在恶劣环境中保护合金钢铸钢件的表面。
合金钢铸钢件的纳米晶化技术及强化效果评估
合金钢铸钢件的纳米晶化技术及强化效果评估合金钢铸钢件作为重要的结构材料之一，在工业领域扮演着重要的角色。
为了进一步提高合金钢铸钢件的力学性能和耐磨性，纳米晶化技术被引入其中。
本文将详细介绍合金钢铸钢件的纳米晶化技术以及通过实验评估得出的强化效果。
纳米晶是指晶粒尺寸小于100纳米的材料结构。
与传统的晶粒大的晶体材料相比，纳米晶材料具有更高的强度和硬度，更低的韧性和疲劳极限。
因此，通过将纳米晶化技术应用于合金钢铸钢件中，可以有效地提高其强度、硬度和耐磨性。
合金钢铸钢件的纳米晶化技术主要包括机械糠化、电子束辐照糠化、激光糠化和等离子体糠化等方法。
其中，最常用的是机械糠化。
机械糠化是通过多道次冷轧、热处理和再冷轧等工艺，将晶粒尺寸控制在纳米级别。
该方法可以较低成本地实现纳米晶化技术，适用于大规模生产。
为了评估纳米晶化对合金钢铸钢件的强化效果，一系列实验被进行。
首先，通过X射线衍射仪和透射电子显微镜等分析方法，对晶粒尺寸进行定量分析。
结果显示，通过纳米晶化技术，合金钢铸钢件的晶粒尺寸明显减小，呈现出较为均匀的纳米晶结构。
其次，通过宏观力学性能测试，包括抗拉强度、屈服强度、延伸率等指标的测试，对比传统晶粒大小的合金钢铸钢件和纳米晶化的合金钢铸钢件。
实验结果表明，纳米晶化的合金钢铸钢件在抗拉强度和屈服强度方面显著提高，而延伸率略有下降。
这表明纳米晶化技术通过提高合金钢铸钢件的强度，但可能对其韧性产生一定的影响。
此外，耐磨性也是评估纳米晶化技术的重要指标之一。
通过模拟现实工况下的磨损实验，对比传统晶粒大小的合金钢铸钢件和纳米晶化的合金钢铸钢件的磨损损失。
实验结果显示，纳米晶化的合金钢铸钢件的磨损损失明显降低，表明纳米晶化技术可以提高合金钢铸钢件的耐磨性能。
综上所述，纳米晶化技术是一种有效提高合金钢铸钢件强度和耐磨性的方法。
通过机械糠化等方法实现纳米晶化，并通过实验评估得出的强化效果，纳米晶化的合金钢铸钢件表现出更高的抗拉强度和硬度，以及更好的耐磨性。
汽车轴承用GCr15钢表面制备Ni-TiN纳米镀层研究
汽车轴承用GCr15钢表面制备Ni-TiN纳米镀层研究刘章棋;唐伟;马春阳【摘要】采用超声波辅助电沉积方法在GCr15钢表面制备了Ni-TiN纳米镀层,并利用摩擦磨损试验机、显微电子天平、扫描电镜、X射线衍射仪等仪器对Ni-TiN 纳米镀层的磨损量、表面形貌及物相组成情况进行分析.结果表明,当超声波功率为150 W时,镀层磨损量达到最小值1.1 mg.Ni-TiN纳米镀层的平均显微硬度为648.5 Hv,其平均摩擦因数约为0.45.Ni-TiN纳米镀层主要存在Ni、Ti、N等元素,且Ni元素衍射角分别位于44.8,52.2和76.8°处,TiN粒子的衍射角位于36.7,42.6和61.8°.%The Ni-TiN nanocoating was prepared on the surface of GCr15 steel by ultrasonic electrodeposition method in this paper,and the wear loss weight,surface morphology and phase composition of Ni-TiNnanocoat-ings were analyzed by means of friction and abrasion testing machine,micro electron balance,scanning electron microscope and X ray diffractometer.The results show that the Ni-TiNnanocoating obtained at ultrasonic power of 150 W exhibited a minimum wear loss of 1.1 mg.The average microhardness of Ni-TiNnano coating is 648.5 Hv,and the average friction factor is about 0.45.Ni-TiNnano coating mainly contains Ni,Ti,N and oth-er elements,and the diffraction angles of Ni elements are located at 44.8,52.2 and 76.8°,while the diffraction angles of the TiN particles are at 36.7,42.6 and 61.8°,respectively.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2017(048)012【总页数】4页(P12080-12083)【关键词】超声波;电沉积;Ni-TiN纳米镀层;磨损量【作者】刘章棋;唐伟;马春阳【作者单位】泸州职业技术学院,四川泸州 646005;国家仪表功能材料工程技术研究中心,重庆 400707;重庆材料研究院有限公司,重庆 400707;东北石油大学机械科学与工程学院,黑龙江大庆 163318【正文语种】中文【中图分类】TQ991汽车轴承的主要作用是承重以及为轮毂的转动提供精确引导。
钢铁材料的表面纳米化_刘刚
第23卷第8期2011年8月 钢铁研究学报 Jour nal of Ir on and Steel ResearchV ol .23,No .8A ug ust 2011基金项目:国家自然科学基金资助项目(50071061)作者简介:刘 刚(1963—),男,教授; E -mail :gliu @mail .neu .edu .cn ; 收稿日期:2010-06-07钢铁材料的表面纳米化刘 刚1, 莫成刚1, 武保林2, 左 良1(1.东北大学研究院,辽宁沈阳110004; 2.沈阳航空航天大学材料工程系,辽宁沈阳110136)摘 要:表面纳米化技术能通过往复加载使钢铁材料表面发生强烈塑性变形而实现纳米化,在表面形成纳米-微米梯度结构。
这种独特的结构既能为研究形变诱发的纳米化机理和宽尺寸范围内结构与性能关系提供理想样品,又能显著地提高钢铁材料整体的综合性能和服役行为,因此可望在工业上取得实用。
表面纳米化因丰富的学术和应用价值得到国内外广泛关注,并已成为纳米材料研究的一个重要方向,因此从制备、结构、性能和化学处理等方面介绍表面纳米化研究工作已取得的进展。
关键词:钢铁;表面纳米化;研究进展文献标志码:A 文章编号:1001-0963(2011)08-0001-10Surface Nano -Crystallization of Ferrous MaterialLIU Gang 1, M O Cheng -gang 1, W U Bao -lin 2, ZUO Liang1(1.Resea rch Academy ,N o rtheastern U niver sity ,Shenyang 110004,Liaoning ,China ; 2.Depa rtment of M a te rials Enginee ring ,Shenyang Ae rospace Univ ersity ,Sheny ang 110136,Liao ning ,China )Abstract :Surface nano cry stalliza tion (SN C )w as a new sur face treatment technique for me tals ,which can provide re peated loads acting o n the metal sur face ,and a g radient nano -micro -str uctured surface lay er ca n be sy nthesized o n fe rro us material thr ough intense plastic defo rmatio ns .T his unique g r adient st ruc ture can no t o nly be used to study defo rma tion -induced gr ain refinement mechanism s and str ucture -pro pe rty relationships within a w ide -range (from nano -to micro -me te rs ),but also significa ntly enha nce ove r -all pro per ties and behavior s o f ferr ous ma te rial ,therefo re it w as expected to achiev e practice application .Recently ,mo re and mo re inve stigations w ere fo cused o n the SNC due to its scientific a nd technolo gica l interests ,and the SN C become a new branch fo r the develo pment of the na no -ma te rials .Investig atio n results o n the SN C technique ,including synthesizing methods ,structure ,property and chemical treatment ,we re presented .Key words :fer rous material ;surface nano cry stallization ;re sear ch pro g ress 在服役环境下,钢铁材料的失稳(如疲劳、磨损和腐蚀等)多始于表面,因此只要在材料表面制备出一定厚度的纳米结构表层,即实现表面纳米化[1-2],就可以通过表面组织优化提高材料的整体性能和服役行为。
低碳钢表面纳米化相关腐蚀行为的研究的开题报告
低碳钢表面纳米化相关腐蚀行为的研究的开题报告1. 研究背景低碳钢是一种常用的结构材料，其广泛应用于工业、建筑、汽车等领域。
然而，低碳钢表面容易受到腐蚀的影响，导致其结构疲劳、强度下降，从而降低其使用寿命。
因此，改善低碳钢的抗腐蚀性能，提高其耐久性，具有重要的意义。
纳米化技术能够有效地改变材料的表面性质，提高其耐腐蚀性能。
许多研究表明，纳米化处理能够增加低碳钢表面的耐腐蚀性能，但具体的机理还不够清楚。
因此，需要进一步研究低碳钢表面纳米化处理后的腐蚀行为，探究其机理。
2. 研究目的本研究旨在探究低碳钢表面纳米化处理对其腐蚀行为的影响，并分析其机理。
具体研究目的如下：(1) 研究纳米化处理对低碳钢表面结构和化学成分的影响。
(2) 探究纳米化处理对低碳钢表面腐蚀行为的影响，分析其机理。
(3) 分析低碳钢表面纳米化处理后的腐蚀行为与处理参数之间的关系。
3. 研究方法(1) 样品制备：采用低碳钢作为研究对象，制备表面粗糙度不同的样品，并进行纳米化处理。
(2) 结构和化学成分分析：使用扫描电镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪等分析手段，研究低碳钢表面纳米化处理后的结构和化学成分变化。
(3) 腐蚀性能测试：采用电化学测试等方法，研究低碳钢表面纳米化处理后的腐蚀性能变化。
(4) 数据分析：对实验结果进行数据分析，探究低碳钢表面纳米化处理后的腐蚀机理，分析处理参数与其腐蚀性能之间的关系。
4. 预期成果(1) 研究低碳钢表面纳米化处理的效果，获得纳米化处理后的低碳钢表面性质数据。
(2) 探究低碳钢表面纳米化处理后的腐蚀行为和机理，为进一步提高低碳钢的腐蚀性能提供参考。
(3) 分析低碳钢表面纳米化处理的影响因素，为优化处理参数提供依据。
5. 研究意义(1) 探究低碳钢表面纳米化处理对其腐蚀性能的影响，为优化低碳钢的抗腐蚀性能提供一定的理论基础。
(2) 分析低碳钢表面纳米化处理的影响因素，可以为优化处理工艺、提高处理效果提供参考。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
40Cr钢和GCr15钢的表面纳米化研究
张俊宝*，刘玉亮，宋洪伟，吴 杰，史 弼，熊天英
摘要：利用高能表面处理技术在40Cr钢和 GCr15钢表面制备了纳米晶表面层。
采用TEM和纳米压痕技术等分析测试了表面纳米晶层的组织结构与纳米硬度。
实验结果表明：经高能表面处理后，40Cr钢和GCr15钢表层组织均由分布均匀的纳米铁素体和渗碳体晶粒构成，表面至5 μm深度范围内的平均晶粒尺寸分别约为8nm和10 nm；表面层的纳米压痕硬度得到大幅度提高，分别达到8.0 GPa 和12.5 GPa，并随着深度的增加硬度迅速降低。
关键词：40Cr钢；GCr15钢；表面纳米化；微观组织；纳米压痕硬度
1 引言
近年来，纳米材料以其优异的性能已成为材料领域研究的热点之一[1,2,3]。
纳米材料由于晶粒细小（通常至少在一维方向上小于100nm），界面密度高、所占体积分数大，表现出独特的力学及物理化学性能[4,5]。
大量实验结果表明，纳米材料的力学行为和性能通常优于传统粗晶材料[6～8]，因此对粗晶材料进行晶粒细化处理使其晶粒达到纳米级（简称纳米化）将是一种不改变材料化学成分而提高其综合性能的新方法。
实际上，材料的失效大多发生在表面，表层的结构和性能直接影响着工程金属材料的综合性能指标。
所以表面改性技术成为一项重要的提高材料综合性能的实用技术[9]。
利用金属纳米材料的优异性能对传统工程金属材料进行表面结构改良，即制备出一层具有纳米晶体结构的表面层，将可能改善工程材料的综合力学性能及环境服役行为，在工业应用上具有重要价值。
本工作利用高能表面处理技术，在40Cr钢和GCr15钢表面制备出纳米晶表面层，利用TEM 观察分析了其微观组织结构，利用纳米压痕技术测试了样品沿深度方向的硬度。
2 实验
本试验选择40Cr钢和GCr15钢为实验材料，其化学成分见表1。
材料经过调质处理后，得到由铁素体基体和细小的颗粒状渗碳体组成的回火索氏体组织。
实验采用高能表面处理（high-power surface processing，HPSP）技术，对样品进行表面纳米化处理。
与超声喷丸法相比，该技术也采用颗粒轰击材料表面产生强烈塑性变形的原理，但这种方法使用的颗粒
更小，且要求颗粒的速度是超音速，而超声喷丸技术要求颗粒的振动频率为超音频。
本实验采用参数为：轰击颗粒，氧化铝；颗粒直径，20～40 μm；气体压力，1.8 MPa；实验时间，6min；实验温度，室温。
表1 实验材料的化学成分 %
C Si Mn P S Cu Ni Cr Fe
0.4C-1.0Cr 0.410.30 0.650.020.015 0.10.04 0.92 bal
1.0C-1.5Cr 1.010.30 0.20<0.02<0.02 - 0.20 1.60 bal
采用JEOL的JEM200CX透射电镜（TEM）观察样品平行表面方向上的微观组织结构，TEM样品的制备是首先用线切割机从处理后的40Cr钢上切出薄片进行机械研磨，然后用GATAN的PIPS-691离子减薄仪在室温真空条件下离子减薄完成。
采用MTS公司生产的Nano Indenter XP 型纳米压痕仪对样品进行硬度测试。
样品正表面硬度的测试直接在表面压入，取5个压入点的平均值作为测试结果；样品侧面采用机械抛光，分别在距离表面30μm、60μm、90μm的平行线上选取5个压入实验点进行测试，取其平均值作为测试结果，压入深度均为2μm。
3结果与讨论
3.1 TEM实验结果
图1为经高能表面处理后40Cr钢距离表面约5 μm 处的TEM照片。
图1(a)为TEM明场相照片，可见晶体颗粒为等轴纳米晶，平均晶粒尺寸为8～10nm。
晶粒尺寸统计结果[10]显示晶粒尺寸分布范围为3～35nm,峰值在10nm。
图1(b)为TEM暗场相照片，也可以看出组织由等轴纳米晶组成。
图1(c)为相应的选区电子衍射花样，可见衍射环是连续的，表明表面层晶粒为纳米晶，且所有纳米晶的取向是随机的、各晶粒间的相位角为大角晶界。
XRD分析结果[12] 表明，40Cr钢表面纳米晶层的平均晶粒尺寸约为13nm，反应的是表面到表面以下5 μm深度范围内晶粒的平均尺寸，上述TEM结果基本与之吻合。
大量的TEM实验结果表明经表面纳米化处理后，样品表面形成了厚度约为20 μm的纳米晶层。
图2为经高能表面处理后GCr15钢距离表面约5 μm 处的TEM照片。
图2 (a)为TEM明场相照片，可见此处的组织由晶界清晰的纳米晶粒组成，平均晶粒尺寸约为10 nm。
图2(b)为TEM暗场相照片，同样可以看出组织由分布均匀的等轴纳米晶组成。
图2(c)为相应的选区电子衍射花样，连续的衍射环表明晶粒尺寸在纳米级，并且所有的纳米晶粒的取向是随机的、各晶粒
间的相位角为大角晶界。
经大量TEM观察发现，经高能表面处理后GCr15钢表面纳米晶层的厚度约为15 μm，低于40Cr钢。
由选区电子衍射花样可以看出，40Cr钢和 GCr15钢表面纳米晶层的衍射环中都同时包含了铁素体和渗碳体的衍射环，说明表面纳米层是由纳米级铁素体和渗碳体构成的复合纳米晶层。
(a) (b)(c)
100 nm 100 nm
图1 40Cr钢经HPSP 6 min后距表面约5μm处的TEM像和相应选区电子衍射花样
(a) (b)(c)
50 nm 50 nm
图2 GCr15钢经HPSP 6 min后距表面约5μm处的TEM像和相应选区电子衍射花样
3.2 纳米压痕实验结果
通过上述TEM实验结果可知，试样表面纳米晶层非常薄，采用常规的显微硬度测试方法来评估材料的硬度难以避免基底效应。
因此，本试验采用纳米压痕技术来测试材料的硬度。
图3为高能表面处理后40Cr钢和GCr15钢的纳米硬度随深度的变化曲线。
从图中可以看出：经高能
表面处理后40Cr钢最表层的硬度达到8.0 GPa，约为基体硬度的3倍； GCr15钢最表层的硬度达到12.5 GPa，超过基体硬度的3倍。
对比两条曲线可以看出，高能表面处理后两种钢硬度的提高主要发生在距离表面约30μm的深度范围内，其中GCr15钢的硬度随着深度的增加而急剧下降。
因此，可以推断GCr15钢纳米晶层的厚度小于40Cr钢，这与上述TEM的观察结果一致。
24681012 H a r d n e s s , G P a Distancement to surface, μm
图3 40Cr 钢和GCr15钢经HPSP 后纳米压痕硬度沿深度的变化
4 结论
（1）采用高能表面处理方法成功地在40Cr钢和GCr15钢表层制备了纳米晶层，纳米晶表面层是由纳米级铁素体和纳米级渗碳体构成的复合纳米结构。
（2）TEM观察结果表明，经高能表面处理后40Cr钢和GCr15钢纳米晶层的厚度分别约为20μm 和15μm。
（3）纳米压痕测试结果表明，经高能表面处理后40Cr钢和GCr15钢最表层的硬度分别达到8.0 GPa和12.5 GPa，硬度的提高主要发生在距离表面约30μm的深度范围内。
参 考 文 献
1 Wang X.Y., Li D.Y. Electrochimica Acta ，2002，47：3939～3947.
2 Lu K., Lu J.: J Mater Sci Technol, 1999，15：193～197.
3 Tong W. P., Tao N. R., Wang Z. B. et al . Science 2003, 2003,299 :686～688.
4 Tao N. R., Sui M. L., Lu J. et al . Nanostruct. Mater., 1999, 11:433～440.
5 Tao N. R., Wang Z. B., Tong W. P., et al . Acta Mater. 2002,50:4603～4616.
6 Liu G., Wang S. C., Lou X. F. et al . Scr. Mater. 2001,44:1791～1795.
7 Liu G., Lu J., Lu K. Mater. Sci. Eng. 2000,A286 :91～95.
8 Xiong T. Y., Liu Z. W., Li Z. C. et al. Proc of Chinese Mater Sci and Eng 2002
(Vol.1), Beijing: Metallurgy Industry Publishers, 2003, 203～207.
9 Zhao X. Q., Xu Z., Zhang J. B. et al. J Mater. Sci. Eng. 2003,21:706～710.
10 张俊宝.40Cr钢表面纳米化组织结构与力学性能研究.上海交通大学博士后研究工作报
告.2003:25.
张俊宝：男，1971-，博士，主要从事纳米材料、钢铁材料表面纳米化和冷气动力喷涂技术研究，E-mail: zhangjunbao@本课题受国家自然科学基金资助：50371094 刘玉亮：中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳，邮编110016
宋洪伟：宝钢股份公司研究院，上海，邮编201900
吴 杰：中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳，邮编110016
史 弼：宝钢股份公司研究院，上海，邮编201900
熊天英：中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳，邮编110016。