表面塑性变形原位合金化微/纳组织结构和元素扩散行为的应力-热耦合效应研究

The service life of workpiece always depend on its surface properties,which can be significantly resolved by in-situ alloying by plastic deformation.It is known that the stress inducing plastic deformation is the main reason of changing the surface microstructure and properties.The increasing temperature must be produced by stress during the plastic deformation. Therefore, the effect of increasing thermal on in-situ alloying induced by plastic deformation is also paid more attention as well as stress.Especially,The coupling effect of stress-thermal is more complicated during the plastic deformation. This study is to investigate the coupling effect of stress and thermal on micro/nano structure and element diffusion by using the surface alloying sample produced by high stress strain plastic deformation. The main contents are as followings. Firstly, It is to study the way of alloying induced by high stress plastic deformation. Secondly,It is simulation of temperature field induced by surface plastic deformation by using ANSYS finite element. Furthermore, It is to investigate the coupling effect of stress and thermal on micro/nano structure and elements diffusion behavior of in-situ alloying induced by surface plastic deformation. The main purpose of this study is to investigate the temperature change induced by high stress plastic deformation, and to discuss the coupling effect of stress and thermal on micro/nano structure and element diffusion of in-situ alloying induced by high stress plastic deformation. As a result, this study may offer the reference of methods and theories for producing surface alloying which have micro/nano structure and excellent properties.

工件表面性能直接决定其服役寿命，塑性变形原位合金化是改善表面性能的有效途径之一。诱发塑性变形的应力是改变材料表面显微组织结构和性能的主要因素，然而，应力必然引起材料自身温度变化，因此，表面塑性变形原位合金化过程中热效应将同时扮演重要作用，且应力-热耦合作用更加复杂。本项目以表面大应力塑性变形原位合金化为对象，对原位合金化的微/纳组织结构和扩散行为的应力-热耦合效应进行研究。内容包括：表面大应力塑性变形原位合金化方法；表面塑性变形过程中温度场分布有限元ANSYS模拟计算；表面塑性变形原位合金化微/纳组织结构特征和元素扩散行为的应力-热耦合效应研究。本项目旨在利用表面大应力塑性变形诱发原位合金化方法，结合表面塑性变形温度场分布规律，揭示表面塑性变形原位合金化的微/纳组织结构和元素扩散行为的应力-热耦合效应理论，为获得微/纳组织结构和优越性能的表面合金化层提供试验和理论基础。

表面剧烈变形梯度合金化材料具有成分、结构单元在空间上呈梯度连续变化特点，其将成为最具有发展前景的表面改性方法之一。在表面剧烈变形合金化过程中，应力-热耦合效应对提高合金化程度和合金化深度具有重要科学价值和工程意义。本研究利用冲击剧烈变形方法，结合有限元模拟计算表面冲击应力场和温度场分布规律，对Cu30Ni合金表面纳米化和碳钢表面合金化过程中的应力-热耦合效应对多尺度组织结构和性能的影响进行了研究，研究结果表明，冲击剧烈变形技术能够在Cu30Ni合金表面产生梯度微纳组织结构，晶粒尺寸减小到约35nm，纳米尺度结构层深度增加至约80μm，这些梯度微纳组织结构再进行回复处理，能够形成稳定或亚稳定状态的纳米晶体结构,耐腐蚀性显著提高，磨损速率与晶粒尺寸之间满足v(air)=6.82+0.17d(-1/2)关系。.冲击剧烈变形诱发碳钢表面梯度Cr合金化组织结构，其晶粒尺寸、Cr元素含量呈梯度分布，在表层形成CrFe4固溶体和(Cr、Fe)7C3碳化物，硬度呈梯度降低，且表现出良好的强韧性匹配。此外，Cr固溶有利于促进钝化膜形成，显著提高耐腐蚀性能，腐蚀电位由-1061mV提高至-603.5mV，腐蚀电流密度由1.579×10-3 A/cm2降低至6.703×10-4 A/cm2，容抗弧半径增大，表面无腐蚀产物、裂纹和蚀坑。同时梯度合金化试样的摩擦系数显著降低，为疲劳磨损机制。.利用DEFORM、ABAQUS对冲击剧烈变形应力场和温度场分布模拟计算表明，单次冲击剧烈变形时，其最大应力值约为1200MPa，最高温度约为528℃，应力和温度呈现梯度分布，从冲击端接触点向周围递减。多次冲击剧烈变形时，其最大应力值与单次相同，但应力分布区域增大，且梯度程度减小；温度低于单次温度，温度分布区域增加。此外，冲击频率对最大应力值无显著影响，但会增加应力分布区域；冲击频率能够提高最大温度和温度分布。.通过与单一应力作用比较，应力-热耦合作用能够进一步提高梯度合金化层，且晶粒细化程度更显著。此外，应力-热耦合作用能够增加合金化程度，Cr固溶度提高，(Cr、Fe)7C3数量增加，这是由于应力-热能够进一步增加晶体缺陷，导致Cr元素扩散系数提高。应力-热耦合效应的建立对提高表面剧烈变形梯度合金化材料的合金化程度和合金化深度提供理论基础，且为其应用于金属表面改性提供切实可行的工艺技术。