合金结构钢表面高强韧渗氮层的制备、表征及强化机理研究

基本信息
批准号:51701122
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:22.00
负责人:王博
学科分类:
依托单位:上海交通大学
批准年份:2017
结题年份:2020
起止时间:2018-01-01 - 2020-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:潘健生,刘斌,仝大明,李文政
关键词:
合金结构钢强化机理性能表征可控气体渗氮表面塑性变形
结项摘要

Gas nitriding is one of the most widely used surface modification techniques to improve surface hardness, wear resistance and corrosion property of alloys and steels through the development of a unique composite structure with an outermost compound layer and subsurface diffusion zone. However, the compound layer suffers from high internal stress that makes it friable and brittle, and it will be crushed under the conditions of impact and/or heavy loads. This will affect the service capability of the nitrided engineering components under heavy load environment. Although the toughness of the surface nitrided layer could be significantly improved by eliminating the compound layer, serious deterioration of the surface hardness and wear resistance will be induced. The project aims to develop a composite method of controlled gas nitriding and surface plastic deformation to prepare a nitrided layer with high strength and toughness on the surface of alloy structural steel. The process involves first preparing a compound-free nitrided layer with excellent toughness by controlled gas nitriding, and then improving surface strength by shot peening without apparent loss of toughness. The gradient microstructure characteristics, hardness, toughness, residual stress state and distribution of the combined treated layer will be fully investigated. Based on these results, the influence of composite treatment on surface wear properties under heavy loads, and the regulations of crack initiation and propagation during thermal fatigue can be determined. Finally, the complex strengthen mechanism is revealed. This research project will break the inverse relationship between hardness and toughness in the traditional gas nitriding process. The expected research results will not only provide technique basis for the preparation of surface modified layer with high strength and toughness for the key mechanical components, but also help broad the application of gas nitriding.

气体渗氮是工业生产中应用最广泛的表面改性技术之一,它可显著提高钢铁材料表面的硬度、耐磨及耐腐蚀性能。然而,常规气体渗氮层因带有化合物层而韧性较差,重载条件下极易剥落,尽管消除化合物层可获得良好的表面韧性,但硬度和耐磨性又会下降。针对上述问题,本项目拟发展一种合金结构钢表面高强韧渗氮层的复合制备方法——可控气体渗氮+表面塑性变形,即首先通过可控气体渗氮获得韧性优良的无化合物渗氮层,而后对其进行表面喷丸处理进一步提高强度,制备综合强韧性能优良的复合改性层。系统表征复合处理渗层的梯度组织特征、硬度、韧性、残余应力状态和分布规律,进而确定复合工艺对渗氮层重载磨损性能的影响规律、热疲劳过程中裂纹的萌生与扩展规律,最终揭示其内在的复合强化机制。本项目的研究将打破单一气体渗氮强化导致的“硬度-韧性”倒置关系,为关键零部件表面高强韧改性层的制备提供技术依据,拓宽气体渗氮工艺的应用范围。

项目摘要

气体渗氮是工业生产中应用最广泛的金属材料表面改性技术之一,可显著提高材料表面的硬度、耐磨性及耐腐蚀性能。然而,常规气体渗氮层因化合物层的形成导致其韧性较差,重载服役时极易破碎甚至剥落。尽管抑制化合物形成或消除化合物层可获得良好的表面韧性,但硬度和耐磨性又会下降。显然,传统气体渗氮表层强化工艺存在“硬度(强度)”和“韧性”之间的矛盾。本项目首先通过可控气体渗氮获得韧性优良的无化合物渗氮层,而后通过喷丸等技术对其进行表面塑性变形进一步提高强度,获得综合强韧性能优良的复合改性层。研究了可控气体渗氮及超声喷丸复合处理42CrMo钢表层的组织特征、硬度、韧性、残余应力状态和分布规律、耐磨性能等。低载荷磨损条件下,化合物层因硬度稍高耐磨性最优,而在重载磨损条件下化合物层因脆性较大磨损严重,可控气体渗氮及超声喷丸复合处理样品凭借优良的硬度-韧性搭配及叠加的残余应力保证了良好的抗磨损性能。通过常规气体渗氮,可控气体渗氮,预喷丸气体渗氮,及可控渗氮后喷丸处理四种工艺,在H13钢表面制备了四种不同的改性层,并从热裂纹的萌生及扩展方面比较了不同改性层的热疲劳性能。与常规气体渗氮化合物层相比,可控气体渗氮表层因韧性优良其裂纹在渗氮表层的扩展较缓慢,但因硬度(分布)稍低,其热裂纹沿深度方向扩展较快。预喷丸渗氮处理显著滞后了裂纹的萌生及其在深度方向的扩展,但表层热裂纹出现后长大迅速,且剥落面积更宽;而可控气体渗氮滞后了裂纹在表层的萌生,又延缓了其在深度方向上的扩展。初步研究了52100高碳铬轴承钢的碳氮共渗行为,依据不同参数搭配下的碳氮共渗热/动力学特性及其对显微组织及残余应力的影响,给出了适用于高碳铬轴承钢碳氮合金化的最佳工艺窗口。本项目的研究优化了常规气体渗氮工艺中存在的“硬度-韧性”倒置关系,为关键零部件表面高强韧改性层的制备提供了技术依据,拓宽了气体渗氮工艺的应用范围。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

DOI:10.19713/j.cnki.43-1423/u.t20201185
发表时间:2021
2

特斯拉涡轮机运行性能研究综述

特斯拉涡轮机运行性能研究综述

DOI:10.16507/j.issn.1006-6055.2021.09.006
发表时间:2021
3

疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮变化特征

疏勒河源高寒草甸土壤微生物生物量碳氮变化特征

DOI:10.5846/stxb201912262800
发表时间:2020
4

栓接U肋钢箱梁考虑对接偏差的疲劳性能及改进方法研究

栓接U肋钢箱梁考虑对接偏差的疲劳性能及改进方法研究

DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2020.03.007
发表时间:2020
5

氯盐环境下钢筋混凝土梁的黏结试验研究

氯盐环境下钢筋混凝土梁的黏结试验研究

DOI:10.3969/j.issn.1001-8360.2019.08.011
发表时间:2019

王博的其他基金

批准号:31801537
批准年份:2018
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11305259
批准年份:2013
资助金额:30.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81701586
批准年份:2017
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11701027
批准年份:2017
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21603214
批准年份:2016
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:50906036
批准年份:2009
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:U1736103
批准年份:2017
资助金额:67.00
项目类别:联合基金项目
批准号:51408595
批准年份:2014
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51905543
批准年份:2019
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:31770570
批准年份:2017
资助金额:62.00
项目类别:面上项目
批准号:71804010
批准年份:2018
资助金额:19.50
项目类别:青年科学基金项目
批准号:61903110
批准年份:2019
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:71804070
批准年份:2018
资助金额:19.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51709065
批准年份:2017
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81870445
批准年份:2018
资助金额:58.00
项目类别:面上项目
批准号:51579226
批准年份:2015
资助金额:63.00
项目类别:面上项目
批准号:41401616
批准年份:2014
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11673059
批准年份:2016
资助金额:68.00
项目类别:面上项目
批准号:41701531
批准年份:2017
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:41572010
批准年份:2015
资助金额:78.00
项目类别:面上项目
批准号:11872211
批准年份:2018
资助金额:63.00
项目类别:面上项目
批准号:61803162
批准年份:2018
资助金额:27.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:61673060
批准年份:2016
资助金额:62.00
项目类别:面上项目
批准号:11147183
批准年份:2011
资助金额:5.00
项目类别:专项基金项目
批准号:11304044
批准年份:2013
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51701114
批准年份:2017
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:61104189
批准年份:2011
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21502036
批准年份:2015
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:31100315
批准年份:2011
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51905389
批准年份:2019
资助金额:19.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:31470494
批准年份:2014
资助金额:86.00
项目类别:面上项目
批准号:81901755
批准年份:2019
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81502967
批准年份:2015
资助金额:17.90
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21402182
批准年份:2014
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21868011
批准年份:2018
资助金额:40.00
项目类别:地区科学基金项目
批准号:71903157
批准年份:2019
资助金额:19.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:31401821
批准年份:2014
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:71303069
批准年份:2013
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:41172197
批准年份:2011
资助金额:77.00
项目类别:面上项目
批准号:11503043
批准年份:2015
资助金额:19.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81800343
批准年份:2018
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:52006190
批准年份:2020
资助金额:16.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81270521
批准年份:2012
资助金额:70.00
项目类别:面上项目
批准号:21471018
批准年份:2014
资助金额:80.00
项目类别:面上项目
批准号:11873085
批准年份:2018
资助金额:65.00
项目类别:面上项目
批准号:11103072
批准年份:2011
资助金额:30.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:41504056
批准年份:2015
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11802319
批准年份:2018
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:40802043
批准年份:2008
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21201018
批准年份:2012
资助金额:30.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11701091
批准年份:2017
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51405487
批准年份:2014
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51604089
批准年份:2016
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:30700772
批准年份:2007
资助金额:17.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:61105072
批准年份:2011
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:10802016
批准年份:2008
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51708037
批准年份:2017
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:61300206
批准年份:2013
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21806006
批准年份:2018
资助金额:27.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:41002006
批准年份:2010
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21672203
批准年份:2016
资助金额:65.00
项目类别:面上项目
批准号:11372062
批准年份:2013
资助金额:82.00
项目类别:面上项目
批准号:81100103
批准年份:2011
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:41772225
批准年份:2017
资助金额:80.00
项目类别:面上项目
批准号:41306146
批准年份:2013
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51709116
批准年份:2017
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:61603176
批准年份:2016
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81402106
批准年份:2014
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目

相似国自然基金

1

高能激光处理合金钢非平衡离子渗氮层强韧机理

批准号:51601117
批准年份:2016
负责人:唐丽娜
学科分类:E0103
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
2

钛合金真空脉冲碳氮复合扩渗层的结构演化与强化机理研究

批准号:51574096
批准年份:2015
负责人:刘静
学科分类:E0414
资助金额:63.00
项目类别:面上项目
3

航空用钛合金齿轮高强韧渗氮层的结构控制与性能研究

批准号:U1810109
批准年份:2018
负责人:佟伟平
学科分类:E0106
资助金额:61.00
项目类别:联合基金项目
4

Ti合金的表面渗氧与强化研究

批准号:50171073
批准年份:2001
负责人:王茂才
学科分类:E0103
资助金额:21.00
项目类别:面上项目