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奥氏体不锈钢因其优异的耐腐蚀性能和良好的加工成型性得到了广泛的工程应用,但是由于相对较低的硬度和较差的耐磨性限制了其在摩擦磨损领域的应用。众所周知,晶粒细化是一种强化材料的有效方法,通过塑性变形方法制备纳米结构材料一直受到研究者广泛关注。其中动态塑性变形技术(Dynamic PlasticDeformation,DPD)利用高应变速率,结合低变形温度,可以在AISI316L不锈钢样品中引入高密度缺陷,包括位错、孪晶界和晶界,获得块体纳米结构材料,使其具有高硬度和强度,同时一定退火条件下的样品具有良好的强塑性匹配。为探索更全面的工业应用,针对具有优异综合力学性能的AISI316L不锈钢,深入研究其摩擦磨损性能,并且分析不同微观结构对其摩擦磨损行为的影响,具有十分重要的意义。
本研究工作利用动态塑性变形技术(DPD)制备块体纳米结构AISI316L不锈钢,并进行不同条件的退火处理,研究其变形态及退火态样品微观结构演化。由于材料摩擦磨损行为是所处摩擦学系统的特性,与工况条件和环境密切相关。因此,研究不同微观结构AISI316L不锈钢在不同工况条件下(干摩擦/油润滑、不同配副)摩擦磨损性能以及磨痕亚表层微观结构,探索微观结构对纳米结构不锈钢摩擦磨损行为的影响,理解相关摩擦磨损机制。主要结果如下:
1.室温下动态塑性变形处理AISI316L不锈钢微观结构中,随着变形量的增加,变形孪晶层片状厚度减小,所占体积百分数呈现先增加后稍微减小的趋势。随着应变量增大到饱和变形量ε=1.65,最终形成稳定的纳米孪晶镶嵌于纳米晶区域的混合纳米结构。对于饱和变形量DPD样品进行退火处理,通过优化退火参数,可以获得由微米级动态再结晶晶粒和纳米晶两部分组成的混合结构,其中经750℃退火20 min样品中,再结晶晶粒呈网状分布在纳米结构基体中,并且两种结构体积百分比相当。
2.干摩擦滑动条件下,随着应变量的增大,DPD样品磨损量相比粗晶态随之增加,饱和变形量DPD样品磨损量增加45%。经过退火处理后,随着退火时间增加、退火温度升高,样品磨损量随之降低至几乎接近粗晶态。在干摩擦滑动条件下,不同微观结构AISI316L不锈钢耐磨性随着硬度的提高呈逐渐下降的趋势,表现为反常Archard关系,这主要归因于AISI316L干摩擦磨损过程中剧烈的粘着磨损,由于结构细化导致硬度提高,但塑性的丧失使得材料在此摩擦磨损条件下更容易在亚表层形成微裂纹而发生剥离,造成耐磨损性降低。
3.油润滑滑动条件下,饱和变形量样品磨损量相比粗晶态略微减小,在10 N载荷下,磨损量下降25%。经过退火处理后,材料在低载荷10 N条件下,磨损量随硬度提高而单调减小,大体上符合Archard公式,这主要是由于DPD样品中纳米孪晶界和纳米晶界的强化作用;在高载荷30 N条件下,样品磨损体积随着硬度提高,呈现先减小后增大的趋势。其中750℃退火20 min样品对应着最佳耐磨性,磨损量相比粗晶态下降46%,主要归因于样品中纳米结构适中的硬度结合再结晶晶粒一定的塑性,获得了良好的强塑性匹配。同时,摩擦配副材料的改变并没有影响耐磨性随硬度变化的规律。
4.油润滑滑动条件下,粗晶态样品磨痕亚表层发生严重塑性变形,晶粒显著细化,硬度随着距磨痕表面距离减小而逐渐增大;DPD样品晶粒长大,变形层较浅,硬度随着距磨痕表面距离减小而逐渐减小;退火态样品亚表层变形中包含再结晶晶粒细化和纳米晶长大两个过程,再结晶晶粒提供承担塑性变形的能力,纳米结构维持硬的基体。塑性的回复导致其变形层深度增加,最佳的强塑性匹配导致其具有优异耐磨性。磨痕表面微观结构均为亚微米晶/纳米晶结构,硬度值约为3.0 GPa。