论文部分内容阅读
摘要：高速旋转丝表面纳米化是一种新型的表面纳米化方法，本文对316L不锈钢表面进行纳米化处理，测定残余应力在材料内部的分布。通过分析、对比实验数据，表面纳米化处理方法，能够在材料内部引入大量残余压应力，提升材料的力学性能。
关键词：高速旋转丝表面纳米化；残余应力；力学性能
中图分类号：TG142.1 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）09－0005－03
通过对316L不锈钢高速旋转丝表面纳米化处理，使其表层晶粒达到纳米量级，晶粒重新排列，间隔距离缩小，相互作用力增强，从而使得材料整体的力学性能有所提高。同时在对材料表面纳米化处理后，必将引起内部残余应力的改变，然而残余应力是影响材料性能的一个重要因素。本文针对316L不锈钢表面纳米化处理和表面未纳米化处理两种状态，测试其残余应力的分布，通过分析、对比说明表面纳米化后残余应力分布对材料性能的影响。
1实验材料
目前材料表面纳米化处理的方法有3种，分别为表面涂覆或沉积方法、表面自身纳米化方法和混合纳米化方法，在这3种纳米化处理方法中，只有表面自身纳米化处理方法既可解决纳米晶体层与基体之间结合的问题，又可利用传统的表面加工技术得以实现。本文根据这种表面纳米化方法的优越性，利用高速旋转丝表面纳米化方法，在316L不锈钢表面获得纳米层。
2残余应力的测定
2.1测试方法的确定
本实验利用X－350 X射线衍射仪测定残余应力，其测量方法理论成熟、测量精度高，测量结果准确、可靠，被广泛的运用于机械工程和材料科学。但X射线的穿透能力仅为10 um左右，所测得的只是工件表层的应力。本实验研究残余应力在体内的分布，即需要测定残余应力沿材料厚度方向上的分布，这就需要将待测面剥露至自由表面。故采用逐层剥离法，将待测面剥离至自由面，逐层测定各层面上的残余应力。
2.2X－350 X射线衍射仪测试参数的确定
对316L不锈钢板进行残余奥氏体测定，结果Aγ = 92.3%，可根据奥氏体的材料性质选定实验参数，其数据选择见表1。
2.3残余应力的测定
本实验采用表面纳米化处理和表面未纳米化处理的316L不锈钢，其厚度均为5 mm。在测验前需对所测的点进行标定，保证所测数据是同一点在不同深度的分布，同时可以用算术平均值来估算所测层面的平均残余应力。每层表面确定5个点进行测量，测点分布见图1。
图1 残余应力测点分布图
3残余应力的修正
X射线衍射法只能测定材料表面的残余应力分布，而残余应力沿厚度方向的分布情况，只能逐层剥离表层材料，将被测的点外露到自由面进行测量。然而，由于被测点外部的材料被剥除，引起应力释放，发生残余应力重新分布，所以在暴露出来的点上测定的应力值并非剥除时该点的实际应力值。当我们从最表面逐层剥除时，最表面的初始残余应力值是可以测定的，然后逐层剥除，逐层用弹性力学方法来计算剥除后测得的应力值的校正量。
3.1残余应力测定值的修正及应力分析
3.2残余应力的分布
表面纳米化处理的试件与表面未纳米化处理试件应力分布图相比，残余应力的分布总结如下：
（1）表面纳米化处理后在材料表面引入了对材料性能有益的残余压应力，其值为表面未纳米化处理的15倍。
（2）表面纳米化处理后材料内部的残余压应力最大值明显高于表面未纳米化处理的最大值。
（3）表面纳米化处理后残余压应力的范围比表面未纳米化的层面要深。
（4）表面纳米化处理后零应力层面要比表面未纳米化的层面深。
（5）表面纳米化处理与未处理相比，接近中性层面残余拉应力要大。
图3表面未纳米化处理残余应力沿试件深度方向分布图
图4两种表面处理方式残余应力沿试件深度分布图
4对残余应力测试结果的分析
316L不锈钢在表面纳米化处理后，晶粒组织发生了塑性变形，导致表面层晶粒位错密度增高，继而产生位错运动、湮灭、重排形成小角度晶界，从而使表层晶粒细化，直至晶粒细化至纳米量级。这样的处理使表层晶粒间距减小，晶粒间的结合力增强，强化了材料表层的性能。通过大量研究和实验，普遍认为，残余压应力在材料内部的分布，可提高材料的应力强度、疲劳极限等，能够提升材料的力学性能。本实验测定表面，316L不锈钢经表面纳米化处理以后，在材料中引入了大量的残余压应力，并且压应力极值和分布范围，都远大于表面未纳米化处理试件，说明高速旋转丝表面纳米化处理方法是一种有效、可行的提高材料性能的措施。
5结束语
高速旋转丝表面纳米化处理方法是一种提升材料力学性能的有效措施，其方法细化了材料表面层的晶粒，改变了晶粒的组织结构，引入对材料性能有益的残余压应力，提高了材料的力学性能。
参考文献
1 卢柯、卢磊.金属纳米材料力学性能的研究进展［J］.金属学报，2000（8）：785
2 袁发荣、伍尚礼.残余应力测试与计算［M］.长沙：湖南大学出版社，1987
3 徐尚龙等.构件疲劳破坏的数值模拟分析［J］.煤矿机械，2003（5）
4 巩雄、张桂兰等.纳米晶体材料研究进展［J］.化学进展，1997（4）
5 周上祺.X射线衍射分析原理方法应用［M］.重庆：重庆大学出版社，1992
The Residual Stress of 316L Stainless Steel Surface
Nanocrystallization’s Influence on Material Properties
Cheng Guofeng, Zhong Shuhui, Huang Yansen
Abstract: The surface nanocrystallization of high－speed rotary wire is a new method of surface nanocrystallization. The article makes the nanocrystallization processing on the surface of 316L stainless steel and measures the residual stress’s distribution inside the material. Through the analysis and comparison of experimental data, the surface nanocrystallization processing method can introduce a large number of residual stresses inside the material to enhance its mechanical properties.
Key words: surface nanocrystallization of high－speed rotary wire; residual stress; mechanical properties
关键词：高速旋转丝表面纳米化；残余应力；力学性能
中图分类号：TG142.1 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）09－0005－03
通过对316L不锈钢高速旋转丝表面纳米化处理，使其表层晶粒达到纳米量级，晶粒重新排列，间隔距离缩小，相互作用力增强，从而使得材料整体的力学性能有所提高。同时在对材料表面纳米化处理后，必将引起内部残余应力的改变，然而残余应力是影响材料性能的一个重要因素。本文针对316L不锈钢表面纳米化处理和表面未纳米化处理两种状态，测试其残余应力的分布，通过分析、对比说明表面纳米化后残余应力分布对材料性能的影响。
1实验材料
目前材料表面纳米化处理的方法有3种，分别为表面涂覆或沉积方法、表面自身纳米化方法和混合纳米化方法，在这3种纳米化处理方法中，只有表面自身纳米化处理方法既可解决纳米晶体层与基体之间结合的问题，又可利用传统的表面加工技术得以实现。本文根据这种表面纳米化方法的优越性，利用高速旋转丝表面纳米化方法，在316L不锈钢表面获得纳米层。
2残余应力的测定
2.1测试方法的确定
本实验利用X－350 X射线衍射仪测定残余应力，其测量方法理论成熟、测量精度高，测量结果准确、可靠，被广泛的运用于机械工程和材料科学。但X射线的穿透能力仅为10 um左右，所测得的只是工件表层的应力。本实验研究残余应力在体内的分布，即需要测定残余应力沿材料厚度方向上的分布，这就需要将待测面剥露至自由表面。故采用逐层剥离法，将待测面剥离至自由面，逐层测定各层面上的残余应力。
2.2X－350 X射线衍射仪测试参数的确定
对316L不锈钢板进行残余奥氏体测定，结果Aγ = 92.3%，可根据奥氏体的材料性质选定实验参数，其数据选择见表1。
2.3残余应力的测定
本实验采用表面纳米化处理和表面未纳米化处理的316L不锈钢，其厚度均为5 mm。在测验前需对所测的点进行标定，保证所测数据是同一点在不同深度的分布，同时可以用算术平均值来估算所测层面的平均残余应力。每层表面确定5个点进行测量，测点分布见图1。
图1 残余应力测点分布图
3残余应力的修正
X射线衍射法只能测定材料表面的残余应力分布，而残余应力沿厚度方向的分布情况，只能逐层剥离表层材料，将被测的点外露到自由面进行测量。然而，由于被测点外部的材料被剥除，引起应力释放，发生残余应力重新分布，所以在暴露出来的点上测定的应力值并非剥除时该点的实际应力值。当我们从最表面逐层剥除时，最表面的初始残余应力值是可以测定的，然后逐层剥除，逐层用弹性力学方法来计算剥除后测得的应力值的校正量。
3.1残余应力测定值的修正及应力分析
3.2残余应力的分布
表面纳米化处理的试件与表面未纳米化处理试件应力分布图相比，残余应力的分布总结如下：
（1）表面纳米化处理后在材料表面引入了对材料性能有益的残余压应力，其值为表面未纳米化处理的15倍。
（2）表面纳米化处理后材料内部的残余压应力最大值明显高于表面未纳米化处理的最大值。
（3）表面纳米化处理后残余压应力的范围比表面未纳米化的层面要深。
（4）表面纳米化处理后零应力层面要比表面未纳米化的层面深。
（5）表面纳米化处理与未处理相比，接近中性层面残余拉应力要大。
图3表面未纳米化处理残余应力沿试件深度方向分布图
图4两种表面处理方式残余应力沿试件深度分布图
4对残余应力测试结果的分析
316L不锈钢在表面纳米化处理后，晶粒组织发生了塑性变形，导致表面层晶粒位错密度增高，继而产生位错运动、湮灭、重排形成小角度晶界，从而使表层晶粒细化，直至晶粒细化至纳米量级。这样的处理使表层晶粒间距减小，晶粒间的结合力增强，强化了材料表层的性能。通过大量研究和实验，普遍认为，残余压应力在材料内部的分布，可提高材料的应力强度、疲劳极限等，能够提升材料的力学性能。本实验测定表面，316L不锈钢经表面纳米化处理以后，在材料中引入了大量的残余压应力，并且压应力极值和分布范围，都远大于表面未纳米化处理试件，说明高速旋转丝表面纳米化处理方法是一种有效、可行的提高材料性能的措施。
5结束语
高速旋转丝表面纳米化处理方法是一种提升材料力学性能的有效措施，其方法细化了材料表面层的晶粒，改变了晶粒的组织结构，引入对材料性能有益的残余压应力，提高了材料的力学性能。
参考文献
1 卢柯、卢磊.金属纳米材料力学性能的研究进展［J］.金属学报，2000（8）：785
2 袁发荣、伍尚礼.残余应力测试与计算［M］.长沙：湖南大学出版社，1987
3 徐尚龙等.构件疲劳破坏的数值模拟分析［J］.煤矿机械，2003（5）
4 巩雄、张桂兰等.纳米晶体材料研究进展［J］.化学进展，1997（4）
5 周上祺.X射线衍射分析原理方法应用［M］.重庆：重庆大学出版社，1992
The Residual Stress of 316L Stainless Steel Surface
Nanocrystallization’s Influence on Material Properties
Cheng Guofeng, Zhong Shuhui, Huang Yansen
Abstract: The surface nanocrystallization of high－speed rotary wire is a new method of surface nanocrystallization. The article makes the nanocrystallization processing on the surface of 316L stainless steel and measures the residual stress’s distribution inside the material. Through the analysis and comparison of experimental data, the surface nanocrystallization processing method can introduce a large number of residual stresses inside the material to enhance its mechanical properties.
Key words: surface nanocrystallization of high－speed rotary wire; residual stress; mechanical properties