论文部分内容阅读
作为先进的表面强化技术,超声冲击和激光冲击在金属材料的表面处理方面具有独特的优势。超声冲击的优势在于可获得较高的表面硬化效果,激光冲击能够诱导产生较大深度的残余压应力层,两种工艺复合可显著提升材料的表面性能。AISI304不锈钢的应用非常广泛,但由于其硬度和强度较差,无法满足实际生产中严苛的耐磨性要求。本文采用超声冲击、激光冲击和复合冲击对AISI304不锈钢进行表面强化处理,研究了不同表面强化方式对AISI304不锈钢表面完整性和摩擦磨损性能的影响,并阐述了其耐磨性提升机制。本文的主要研究工作和结果如下:(1)理论分析了表面强力塑性变形对AISI304不锈钢的强化机理,并基于试样表面完整性测试,研究了AISI304不锈钢在单一冲击强化和复合冲击强化后表面完整性的变化,结果表明:试样经冲击强化后表面粗糙度增大;两种强化工艺均能够诱导不锈钢产生梯度硬化层和残余压应力层。表面强化后试样的最大硬度位于试样表面,而最大残余压应力处于亚表层。相比单一冲击强化,复合冲击后试样表面显微硬度和残余压应力幅值和深度明显提升。(2)对强化后试样进行了X射线衍射和显微组织观测,分析了激光冲击、超声冲击以及复合冲击后AISI304不锈钢的塑性变形机理,结果表明:激光冲击后试样表层未产生马氏体相变,组织状态与原始试样基本相同。超声冲击后试样表层产生了明显的马氏体相变。复合冲击后试样表层组织中的马氏体含量相比超声冲击试样小幅上升,马氏体含量随塑性变形程度的增大而增大;试样经复合冲击处理后晶粒内部产生了大量的位错和形变孪晶组织。(3)研究了不同表面强化方式对AISI304不锈钢在不同载荷下摩擦磨损性能的影响,获得了复合冲击对AISI304不锈钢表面摩擦磨损性能的强化机制。结果表明:表面强化处理后试样的摩擦系数随着载荷的增加而逐渐降低,且降幅逐步减小。复合冲击强化后试样在不同载荷下的摩擦系数和比磨损率相对于单一冲击强化试样明显减小。原始试样和激光冲击试样的主要磨损机制是磨粒磨损和粘着磨损,其中原始试样还伴随着轻度的疲劳磨损。复合冲击试样表面磨损机制为磨粒磨损、氧化磨损和粘着磨损,且随着载荷增大氧化特征逐渐明显。(4)复合冲击提升AISI304不锈钢摩擦磨损性能的主要机制可概括为:超声冲击显著提高了AISI304不锈钢的表层硬度,表面高硬度强化了不锈钢表面的抗塑性变形能力和耐磨性;由于超声冲击后表层强度的提高,后续激光冲击后试样表层能够容纳更高幅值的残余压应力,残余压应力可延缓裂纹的产生和扩展,减少疲劳磨损,因此复合冲击强化能够大幅提升AISI304不锈钢的摩擦磨损性能。