摘要：奥氏体不锈钢以其优异的耐腐蚀性能和成型性能成为现代工业中的重要工程材料，但奥氏体不锈钢的强度和硬度偏低，其产品易产生划伤、磨损或发生屈服变形而引起失效，以而降低产品质量。由此，非常有必要提升奥氏体不锈钢的强度和硬度，改善不锈钢产品的质量。纳米化是材料强化的一种有效手段，等径角挤压（ECAP）工艺则是获得块体纳米晶不锈钢的一种重要策略，但不锈钢纳米晶强化后，其耐蚀性能和成型性能如何变化将直接影响其运用前景。本论文以304奥氏体不锈钢为探讨对象，采取多道次ECAP工艺获得了块体纳米晶不锈钢（8道次时晶粒尺寸为80～120nm），就ECAP历程中不锈钢的组织均匀性、组织细化演变规律、强化机制、腐蚀性能以及表面钝化膜特点进行了深入浅析和表征。首先，我们自行设计了一套ECAP模具和加热设备，通过摸索ECAP工艺参数，成功制备出无变形缺陷的三维块体纳米晶不锈钢。各道次试样横截面硬度分布测量和TEM浅析表明，随挤压道次增加，不锈钢的微观组织分布变得更均匀和更细小，挤压4道次时便可以获得纳米晶结构，进一步挤压对不锈钢的细化效果不显著，但能改善不锈钢的组织均匀性。不锈钢在ECAP挤压历程中的细化机制为滑移（亚晶带）+位错胞（亚晶胞）+孪生变形的混合模型，8道次挤压后最终得到了两种纳米晶组织：等轴纳米晶组织（80～120nm）和纳米孪晶（厚度约为12～20nm，长度约为60nm）。XRD物相浅析表明，304不锈钢在第1道次ECAP挤压后便出现形变诱发马氏，体积百分含量为9.2%，后续道次的挤压对形变诱发马氏体含量的影响不大。拉伸实验发现，第1道次挤压后不锈钢的强度显著增加，塑性则显著下降；2道次或更多道次挤压后，不锈钢的强度和塑性均无显著变化。在ECAP变形历程中，不锈钢的强化机制包括形变强化和细晶强化两种机制，其中1～3道次挤压中以形变强化为主，5～8道次挤压以细晶强化为主，而4道次挤压中则是两种细化机制共存。5～8道次挤压后不锈钢的屈服强度与晶粒尺寸之间能较好满足Hall-Petch联系。我们也探讨了恢复纳米化不锈钢塑性的热处理工艺。结果发现，400℃-10min退火处理对恢复纳米晶不锈钢塑性的效果不佳，此时不锈钢只发生部分回复；600℃-10min退火处理可一定程度恢复ECAP挤压后不锈钢的塑性，如可使8道次试样的伸长率以退火前的8.5%提升到退火后的15%，而强度则保持相对不变（晶粒尺寸无显著变化），此时不锈钢发生了较完全的回复，但仍没有发生再结晶。我们还考察了0道次（原始粗晶）、1道次（带状粗晶）和8道次（纳米晶）试样的拉伸断口以及热处理工艺对1、8道次试样拉伸断口形貌的影响。以断口的宏观形貌来看，0、1道次试样均体现塑性断裂特点，8道次试样体现脆性断裂的特点；以断口的高倍SEM形貌来看，三个试样断口均呈现塑性断裂的韧窝特点，且随挤压道次的增加，韧窝变浅，变细，这与经不同道次挤压后不锈钢的微观结构变化有关。退火处理对1道次试样断口表面韧窝形貌的影响要大于对8道次试样的影响，这与8道次试样已生成纳米晶结构，晶界滑移已成为不锈钢塑性变形的主要形式有关。最后，我们对纳米晶不锈钢的表面钝化膜特性和耐腐蚀性能进行了全面浅析和表征。静电位极化试验和钝化膜电容测量结果表明，8道次纳米晶试样的表面钝化膜比0道次粗晶试样的表面钝化膜更致密（孔隙率更低）、化学稳定性更好（载流子密度更低）。钝化膜的XPS成分浅析发现，在空气中0道次和8道次试样表面钝化膜的结构（厚度和成分）基本相同，表明在室温环境下，纳米晶结构的“扩散通道正效应”并没有发生；不锈钢（不管是0道次还是8道次）在0.5M H2SO4溶液中形成的钝化膜中铬/铁含量比要高于在空气中形成的钝化膜的铬/铁含量比，这是钝化膜在溶液中会溶解并且铁的溶解速度远远高于铬的溶解速度所致；在0.5M H2SO4溶液中于开路电位下，8道次试样表面钝化膜中铬/铁含量比低于0道次试样，这是8道次试样表面钝化膜在溶液中更稳定、铁的溶液速度更慢造成的结果。开路电位-时间曲线（OCP）、动电位极化曲线以及电化学阻抗谱（EIS）等电化学试验结果均表明，经ECAP纳米化后，304不锈钢在室温下的耐蚀性能得到改善，综合钝化膜特性变化的结果浅析认为，纳米晶304不锈钢耐蚀性能的改善不是因为纳米化后不锈钢表面钝化膜的厚度和铬含量发生了转变，而是因为钝化膜的致密性和化学稳定性得到提升所至。关键词：等径角挤压(ECAP)论文奥氏体不锈钢论文块体纳米晶材料论文力学性能论文腐蚀行为论文
摘要5-7
Abstract7-13
第一章绪论13-37
1.1 引言13-14
1.2 不锈钢的纳米化工艺14-19
1.2.1 不锈钢的表面纳米化15-17
1.2.2 不锈钢的块体纳米化17-19
1.3 等径角挤压法概述19-32
1.3.1 ECAP 的原理20-22
1.3.2 ECAP 工艺参数对材料特性的影响22-25
1.3.3 ECAP 细化后材料的结构特性25-28
1.3.4 ECAP 细化后材料的性能28-32
1.4 纳米晶不锈钢耐蚀性能探讨近况32-34
1.4.1 表面纳米化不锈钢耐蚀性能的探讨近况32-33
1.4.2 块体纳米化不锈钢耐蚀性能的探讨近况33-34
1.5 本论文的探讨作用与探讨内容34-37
1.5.1 探讨作用34-35
1.5.2 探讨的主要内容35-37
第二章 实验策略及仪器37-49
2.1 实验材料37
2.2 ECAP 设备与工艺37-43
2.2.1 ECAP 模具设计及制造37-38
2.2.2 ECAP 模具材料38-39
2.2.3 ECAP 冲头39
2.2.4 加热设备39-40
2.2.5 压力机40-41
2.2.6 ECAP 工艺历程41-43
2.3 微观组织及结构浅析43
2.4 性能测试43-49
2.4.1 拉伸试验43-44
2.4.2 显微硬度测量44-45
2.4.3 拉伸断口浅析45
2.4.4 电化学性能测试45-47
2.4.5 表面钝化膜表征47-49
第三章 ECAP 历程中 304 不锈钢的组织及结构演变49-88
3.1 ECAP 形变后 304 不锈钢组织均匀性浅析49-59
3.1.1 横截面硬度测试结果与组织均匀性浅析50-57
3.1.2 纵截面硬度测试结果与组织均匀性浅析57-59
3.2 XRD 物相浅析及形变诱发马氏体含量计算59-64
3.2.1 XRD 物相浅析59-60
3.2.2 形变诱发马氏体含量计算60-64
3.3 ECAP 形变后 304 不锈钢的微观组织及结构64-86
3.3.1 不同道次挤压后的金相组织65-70
3.3.2 TEM 浅析70-83
3.3.3 304 不锈钢在 ECAP 历程中的细化机制83-86
3.4 本章小结86-88
第四章 ECAP 后 304 不锈钢的力学性能88-117
4.1 ECAP 挤压 1～8 道次后不锈钢的力学性能88-92
4.2 ECAP 历程中奥氏体不锈钢的强化机制92-96
4.2.1 形变强化92-94
4.2.2 细晶（晶界）强化94-96
4.3 硬度与强度之间的联系96-97
4.4 恢复纳米晶不锈钢塑性的热处理工艺97-107
4.4.1 热处理工艺对硬度的影响97-99
4.4.2 热处理工艺对力学性能的影响99-104
4.4.3 热处理工艺对 ECAP 纳米晶不锈钢组织结构的影响104-107
4.5 拉伸断口形貌浅析107-115
4.5.1 断口低倍宏观形貌108-110
4.5.2 断口高倍微观形貌110-113
4.5.3 讨论113-115
4.6 本章小结115-117
第五章 ECAP 后 304 不锈钢的耐腐蚀性能117-136
5.1 ECAP 不同道次后不锈钢的电化学行为117-122
5.1.1 开路电位117-119
5.1.2 动电位极化曲线119-120
5.1.3 电化学阻抗谱（EIS）120-122
5.2 不锈钢表面钝化膜的表征122-135
5.2.1 XPS 成分浅析122-132
5.2.2 钝化膜致密性浅析132-133
5.2.3 钝化膜电子结构及化学稳定性浅析133-135
5.3 本章小结135-136
全文总结136-139
本探讨的革新点138
工作展望138-139
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