钢铁材料作为结构材料广泛应用在大跨度桥梁、长距离油气管道、航空航天设备、大容量存容器、武器装备、精密仪器、超大型船舶和海上钻井平台等方面,对钢铁材料的性能的要求也越来越高,这就需要开发出使用寿命更长、力学性能更高的新型钢铁材料。传统产业的升级和新兴产业的发展使得对高性能钢的需求加大。在这种情况下,开发新型高性能钢和新的强化钢的方法至关重要。纳米颗粒可作为一种增强相加入到金属材料中从而提高金属材料的力学性能,是当前强化金属材料的一种创新性的方法。由于纳米颗粒和钢的比重相差较大,使得将纳米颗粒加入到钢中的难度极大,纳米颗粒容易团聚,在钢中分散不均,比重差大造成纳米颗粒偏聚和上浮等瓶颈难题。解决纳米颗粒强化钢在准备过程中的一系列难题,实现纳米颗粒对钢的组织和性能进行调控,高效强化钢的力学性能,为强化钢材提供一个新的方法和途径,具有显著的现实意义和实际应用价值。本论文通过中间合金作为纳米颗粒的载体制备了纳米颗粒增强H13钢。研究了不同含量单相Ti C纳米颗粒和双相Ti C+Ti B2纳米颗粒强化H13钢的组织演变规律,并揭示了纳米颗粒调控H13钢组织的机制。研究了不同含量单相Ti C纳米颗粒和双相Ti C+Ti B2纳米颗粒强化H13钢的拉伸性能和冲击性能,并揭示了纳米颗粒强化H13钢的机制。研究了纳米颗粒对H13钢的高温耐磨性的影响,分析了不同种类和含量纳米颗粒对钢的高温耐磨性影响的差异性,揭示了纳米颗粒对钢的高温耐磨性的提高机制。研究了纳米颗粒对H13钢的室温耐磨性的影响,分析了不同种类和含量纳米颗粒对钢的室温耐磨粒磨损影响的差异性,揭示了纳米颗粒对钢的室温耐磨粒磨损的提高机制。本论文主要有以下四条创新点:1.揭示了加入纳米颗粒对H13钢的组织影响规律及调控机制:(1)揭示了加入纳米颗粒对H13钢组织的影响规律。未加入纳米颗粒的H13钢组织主要为粗大的回火马氏体,呈现分布不均匀,伴随有很多的回火索氏体,以及少量点状的残留碳化物。加入了0.01wt.%Ti C的H13钢组织主要为回火索氏体,伴随有很多细小的条状回火马氏体以及少量碳化物。加入了0.02wt.%Ti C的H13钢,组织的回火马氏体更细小,呈均匀分布。加入了0.01 wt.%Ti C+Ti B2的H13钢组织主要为细小的回火马氏体,呈比较均匀分布,其方向性基本消失。加入了0.02wt.%Ti C+Ti B2的H13钢组织主要为回火马氏体,成分中的回火索氏体大幅减少。加入了0.03wt.%Ti C+Ti B2的H13钢组织中的马氏体占比进一步提高,一些回火马氏体更细长,呈均匀分布,方向性极强。(2)揭示了加入纳米颗粒对H13钢组织的调控机制。纳米颗粒可以有效提高奥氏体的形核效率,增加了形核核心数,而未参与形核的纳米颗粒可以抑制枝晶的生长,在形核和长大过程中均对奥氏体晶粒实现控制,更加细化的奥氏体晶粒对热处理之后的组织细化有利,并可以使马氏体组织有效细化。2.揭示了加入纳米颗粒对H13力学性能影响规律及强韧化机制:(1)揭示了纳米颗粒对H13钢的强化规律。单相Ti C纳米颗粒增强H13钢的屈服强度、最大拉伸强度、断裂应变以及强塑积均随着纳米颗粒含量的增加而增加,均匀延伸率随着纳米颗粒含量的增加而先增加后减小。双相Ti C+Ti B2纳米颗粒增强H13钢的屈服强度、最大拉伸强度以及强塑积随着纳米颗粒含量的增加而增加,断裂应变和均匀延伸率随着纳米颗粒含量的增加而减小。加入双相Ti C+Ti B2纳米颗粒对H13钢的综合拉伸性能提升效果更为明显,但是当加入双相Ti C+Ti B2纳米颗粒的含量达到0.02wt.%以上时,性能其提升效果不稳定,性能分散度大。(2)揭示了纳米颗粒对H13钢的强韧化机制。主要为细晶强化、位错强化和第二相强化。细晶强化:加入纳米颗粒后,组织细化,更加均匀致密,从而提高了材料的塑性。位错强化:高的热错配度导致在热处理之后基体中有许多的位错。位错运动后,位错与晶界之间,位错之间相互作用提高材料的强度。第二相强化:纳米颗粒阻碍位错滑移,对位错钉扎作用强化钢的强度。3.揭示了纳米颗粒对钢的高温耐磨性影响规律及提高机制:(1)揭示了不同磨损参数对纳米颗粒强化H13钢的高温耐磨性影响规律。温度为573K时材料表面的磨损形式为犁削磨损,而温度为723K时材料表面的磨损形式以粘着磨损形式为主。相比温度为573K时,在温度为723K的条件下双相纳米颗粒对H13钢的耐摩擦磨损性能提升更为明显。载荷较高时材料的粘着磨损程度更大,而低载荷的条件下更多为犁削磨损。加入双相纳米颗粒的H13钢耐磨性提升效果更好,并且纳米颗粒含量的提高使材料的耐磨性增强。相比转速为150r/min时,在转速较高的300r/min的条件下,其表面的粘着磨损程度增大,加入双相纳米颗粒可以使材料的磨损形式由粘着磨损转变为犁削磨损,降低材料表面的磨损程度。(2)揭示了纳米颗粒增强钢的高温耐磨性提高机制。573K时材料主要为犁削磨损,纳米颗粒尤其是双相纳米颗粒能够抵抗磨粒的压入,犁削程度降低,纳米颗粒含量的升高使传递载荷的能力增强,磨粒压入基体的深度和犁削程度降低。723K时纳米颗粒的存在使材料表面附近的塑性变形受到阻碍,并且加入双相纳米颗粒抵抗塑性变形的效果更为显著,因此,纳米颗粒的加入使材料表面剥离和粘着磨损程度降低。4.揭示了纳米颗粒对钢的室温耐磨粒磨损的影响规律及提高机制:(1)揭示了不同磨损参数对纳米颗粒强化H13钢的室温耐磨粒磨损的影响规律。材料在室温时磨损形式为犁削磨损,相比单相纳米粒子,双相纳米颗粒对材料耐磨性的提升效果更好,并且纳米颗粒含量的提高使材料的耐磨性增强。相比砂纸目数为360目的条件下,材料在砂纸目数为600目的条件下的犁沟深度更浅,并且耐磨性提升效果更明显。(2)揭示了纳米颗粒增强钢的室温耐磨粒磨损的提高机制。纳米颗粒强化钢的微观组织更细小,致密,钢基体能够抵抗磨粒的压入,使磨粒的压入深度降低。相比单相纳米颗粒,双相纳米颗粒的抵抗磨粒压入效果更好,使基体不容易被犁削出,因此能够有效降低犁沟的深度和宽度,同时纳米颗粒含量的提高使其传递载荷的能力也提高,耐磨粒磨损性能提高。