学位论文-—表面多重旋转碾压处理对45钢组织性能的影响.doc

山东建筑大学毕业论文本科毕业论文题 目：表面多重旋转碾压处理对45钢组织和性能的影响院 （部）： 材料科学与工程学院专 业： 材料成型及控制工程山东建筑大学毕业论文摘 要本文详细阐述了利用表面多重旋转碾压设备处理45钢实验板材，使其表面晶粒达到纳米级别的详细过程。论文探讨了在相同转速、压强，不同加工时间下表面多重旋转碾压实验对材料表面晶粒细化的影响程度，并用金相显微镜、显微维氏硬度仪、X射线衍射仪等分析检验试样组织和性能的改变。在相同的转速1800r/min和相同的压强0.4Mpa的条件下，随加工时间的增加，45钢实验板材表面晶粒细化程度逐渐增强，通过金相组织的观测，当达到最长加工时间60min时，板材表面晶粒细化程度达到最大化。此时，表面多重旋转碾压使试样的表层显微硬度明显增加，表层的显微硬度较未加工板提高了约74.1%，达到343.8HV，经X射线衍射检测和计算测得表面的平均晶粒尺寸约为37.5nm，达到了表面纳米化的目的。实验结果表明：通过表面多重碾压加工处理，45钢可以实现表面纳米化。关键词：表面多重旋转碾压；45钢；表面纳米化；平均晶粒尺寸；显微硬度ABSTRACTThis text introduced to make use of surface to weigh to revolve Nian to press an equipments processing to try kind more and made crystal grain of its surface attain a Na rice Class of detailed process.The thesis inquired into in the homology and turn soon, the dissimilarity process time under the surface weigh and revolve Nian and press solid and check more a crystal grain the influence degree that is thin and turn is to the material surface and counteract a gold mutually microscope, show minute details the Wei surname degree of hardness instrument and X and shoot line Yan and shoot an instrument etc. analysis the examination try the change of kind function.Be soon same alike turning a 1800 rs|under min and the condition of pressing of homology strong 0.4 Mpas, with process horary increment, 45 steels test a plank material surface the crystal grain is thin to turn degree gradual strengthen, be attain to grow the 60 mins of processing time most , plank material surface the crystal grain Be thin to turn degree to attain to maximize.At this time, surface of on the average crystal grain size about is a 24.6 nms, come to a surface Na the rice turns of purpose.The surface Na rice turns to make the surface layer of trying the kind show minute details degree of hardness obvious increment.BE turning soon for the 1800 rs|min, press strong is a 0.4 MPas, the showing minute details of surface layer degree of hardness more has never processed plank to raise about 74.1% while processing time as 60 mins and attained 343.8 HVs.Test result enunciation:Press to process a processing through multiple Nians of surfaces, 45 steels can carry out surface Na rice to turn.Keywords:The surface weighs to revolve Nian to press more;45 steels;The surface Na rice turns;On the average crystal grain size;Show minute details degree of hardnessIV山东建筑大学毕业论文 1前 言1.1选题背景1.1.1金属材料表面纳米化的研究目的随着市场需求的不断变化，金属材料的应用已不光停留在注重金属本身的组织和结构上，由于金属材料的腐蚀、磨损等不稳定因素多始于表面，为了满足工作环境对金属材料的特殊需求，伴随着纳米材料与纳米技术研究的不断深入，人们从优化金属材料表面组织和结构入手，将材料表面改善技术与纳米技术相结合，从而达到优化金属材料表面性能，进而提高材料整体性能的目的。1.1.2表面纳米化的机理根据塑性变形晶粒细化的位错理论:位错在晶体中是三维分布的,位错网在滑移面上的线段可以成为位错源,在应力的作用下,此位错源不断的发生位错,使晶体生滑移,位错运动过程中必须克服晶界的阻碍。当这些位错克服了在滑移过程中的阻力后,会塞积在晶界前面,使其继续运动受阻。当晶粒减小时,就要增大外加应力,才能克服此阻力,使其相邻的晶粒也产生滑移。这就是说晶粒越细小,材料的强度也越高。1.1.3表面自身纳米化（Surface Self-Nanocrystallization）1.1.3.1表面自身纳米化的概念1999 年,Lu 等1 提出了金属材料表面自身纳米化( Suface Self-Nanocrystallization , SNC) 的概念,即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。纳米结构表层与基体之间没有明显的界面,处理前后材料的外形尺寸基本不变。这种表面自身纳米化技术,一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难,另一方面又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表性改良技术中。1.1.3.2表面自身纳米化的晶粒分布特征对以位错滑移为主要变形方式的材料其晶粒细化机理主要有晶粒分割机制、动态再结晶机制和胞结构转变为超细晶机理；对以变形孪晶为主要变形方式的材料，其晶粒细化是通过形变孪晶间的交割实现的。形变孪晶的相互交割将变形晶粒分割为不同的结构单元，这种孪晶分割过程随着向处理表面靠近逐渐在越来越小的尺度上进行，在近表层，纳米级的多系形变孪晶将变形晶粒分割成为纳米量级的结构单元，长时间的表面自身纳米化处理，在材料表层形成均匀分布的纳米晶2。 根据微观应变的大小、晶粒的尺寸、形状及分布状况，可以将样品沿厚度方向划分为三个区域：表面纳米晶层、过渡层和原始晶粒层。表面纳米晶层： 此层由晶体学随机取向的等轴状纳米晶组成， 沿样品厚度方向晶粒尺寸逐渐增加。过渡层：过渡变形层由亚微米晶粒组成,层内晶粒形状不规则， 既包含高密度位错以及纳米尺寸的剪切带和孪晶， 也含有没有达到纳米级的粗晶晶粒。原始晶粒层： 原始晶粒层的晶粒尺寸基本保持材料处理前的尺寸， 只是在与过渡层交界处仍残留少量微观应变。1.1.3.3表面自身纳米化的分类目前的表面纳米化研究多数集中在由表面机械加工处理导致的表面自身纳米化。能够使材料表面产生局部往复强烈塑性变形的表面处理技术都具有实现表面纳米化的潜力，目前用得比较多、相对比较成熟的方法有:表面机械研磨处理(SMAT) 、超声喷丸(USSP) 、高能喷丸( HESP) 、气动喷丸等。另外,激光脉冲产生的冲击波也可以使材料发生强烈的塑性变形，并促使晶粒细化。利用这些技术已分别在纯铁、低碳钢和不锈钢等常规金属材料上制备出纳米结构表层。1.2 金属材料表面纳米化的研究意义在材料表面制备了纳米化层后,人们对材料的表面和整体的力学性能作了一些相应的研究。研究显示表面层晶粒的细化可有效提高材料的表面硬度、拉伸强度以及耐磨性能。经过表面自身纳米化处理后，钢板材整体的强度、延伸率和成形性均有不同程度的提高，主要是由于3：（1）、根据Hall-Petch关系，材料的强度随着晶粒尺寸的减小而增大，当板材的表面形成纳米结构时，必然会产生细晶强化效应；同时，SMAT在材料表层引入的压应力又具有加工硬化效应11例.二者共同作用导致强度的提高。（2）、SMAT使材料表面附近形成了晶粒尺寸沿深度方向连续变化的梯度结构，其中纳米结构表层能有效地抑制裂纹的萌生，而心部的粗晶组织又有助于阻止裂纹的扩展.在这种理想的组织及在表面附近引入压应力的共同作用下，板材整体的延伸率和成形性均有提高。1.2.1表面纳米化层的力学及摩擦学性能Tao 等4利用纳米压痕仪和纳米划痕仪研究了纯铁表面纳米化后对材料硬度、弹性模量以及摩擦磨损性能的影响,结果显示最表层硬度达到3. 8 GPa ,是粗晶基体的2 倍。样品在320 退火处理1h 后,虽然残余应力降低,但其硬度没有变化,而经650 退火处理1h 后,硬度降到与基体相同,此时纳米晶发生再结晶长大。这表明硬度的增加是因为晶粒细化到纳米尺度,而不是由于SMAT 介质(弹丸和其他杂质) 的合金化及残余应力等因素的影响。王镇波等5利用往复式摩擦试验机研究了表面纳米化对低碳钢摩擦磨损性能的影响,结果显示SMAT 样品中纳米结构表层的磨损体积小于未处理样品的磨损体积,不同载荷下的摩擦系数明显小于原始样品的摩擦系数(约为后者的1/ 2) ,表面纳米化可以提高低碳钢在中低载荷作用下的耐磨性。Liu 等6对经双面SMAT 处理的低碳钢进行了拉伸试验,结果显示其屈服强度提高了35 % ,且断裂延伸率不变。最近的研究表明7： 316L 奥氏体不锈钢经表面纳米化后,拉伸屈服强度达到了1450MPa ,是粗晶的6 倍,仍然满足H2P 关系式。这种表面纳米化后高屈服强度的现象主要是由于纳米晶粒的存在阻碍了位错的运动,材料表层的强度明显高于心部从而阻断了滑移的发展,将裂纹源阻隔在表面层以内,提高了材料的强度。1.2.2表面纳米化对抗疲劳性能的影响材料经过表面纳米化处理之后,表层形成的组织均一、性能均一的纳米晶层可以有效地抑制疲劳裂纹的萌生,同时表面形成的压应力层也有助于提高材料的抗疲劳性能。李东等8利用表面机械研磨技术,在SS400 钢焊接接头表面形成了尺寸均匀、晶粒取向呈随机分布的纳米晶组织,实现了焊接接头表层硬度的均匀化,表层硬度明显高于内部,从而消除了对接接头表层组织的不均匀性,使焊接接头表面的拉应力变为压应力,提高了焊接接头的抗疲劳性能。1.2.3表面纳米化层的耐蚀性能金属材料表面纳米化以后,表面的纳米晶体材料中含有大量能量较高的亚稳定态晶界,表面活性较高,晶界的体积比明显增加,晶界处的原子数较多。活性金属参与腐蚀反应的活性原子增加,使材料易于发生腐蚀反应。但对于惰性金属,表面更易形成致密的钝化膜,反而可以提高材料的抗腐蚀性能。李瑛等9研究了表面机械研磨处理低碳钢的电化学腐蚀行为,研究结果表明材料的反应活性普遍增加,对于活性金属,纳米化使材料的腐蚀速度增加,并且溶解速度存在明显的尺寸效应。在晶粒尺寸小于35nm 时,纳米低碳钢的电化学腐蚀速度随晶粒尺度的增加而降低,当晶粒尺寸高于35nm 时,晶粒尺度对腐蚀速度的影响不大。X. Y. Wang 等10经过表面喷砂和退火处理在304 不锈钢表面制备了20nm 的纳米化层,表面形成的致密的钝化膜提高了材料的抗腐蚀的能力。1.2.4表面纳米化层的热稳定性纳米晶材料是一种非平衡材料,其热稳定性一直都是科研人员研究的重要课题,同样表面纳米化层的热稳定性能也是涉及到表面纳米化技术能否实际应用的一个重要问题。纳米晶体材料中含有大量能量较高的亚稳定态晶界,纳米晶粒长大的驱动力主要来自体系晶粒和界面的储能降低,阻力来自于原子扩散或晶界迁移需要一定的激活能。研究表明表面纳米化层的热稳定性与纳米晶界的本征结构即存在大量的三叉晶界和界偶有关,由于三叉晶界和界偶的移动比普通晶界的移动更需要高的激活能,这就使纳米晶层具有了一定的热稳定性。佟伟平11研究了SMAT纯铁和38CrMoAl表面纳米化层的热稳定性,结果表明表面纳米化层具有一定的热稳定性。1.3 国内外研究现状1.3.1高速旋转丝变形表面纳米化在普通角向磨光机上安装平行状普通镀铜钢丝轮，磨光机固定在能实现自动纵向移动且移动速度精确控制的机床上，低碳钢样品固定在机床工作台上，样品一侧与磨光机的丝轮紧密接触，通过改变样品与丝轮之间的接触程度来调节载荷，载荷的大小可以由丝轮的转速反映出来。当开动磨光机时，丝轮在转轴带动下高速旋转，钢丝端部不断压入样品表面，产生强烈塑性变形，从而达到细化晶粒的目的12。1.3.2超声金属表面纳米化超声金属表面纳米化处理是一种冲击式压力光整加工方法。其实质是通过引入功率超声频机械振动而对传统表面压光工艺进行巧妙而合理的改良。其工作原理如下：通过超声表面纳米化加工处理。工作头沿表面法线方向给工件施加一定幅度的超声频机械振动。并在一定静压力和进给速度条件下，工作头将压力和超声冲击振动传递给处于旋转状态的被加工机械零部件表面，利用超声冲挤作用使材料产生弹塑性变形；当冲击头通过工件后，工件表面产生一定弹性恢复，而冲击头冲挤所产生的塑性流动却将工件表面原有的微观波峰压平，使其填充到波谷位置，从而改变金属表面微观结构并提高其综合力学性能13。 图 1-1超声表面处理的原理示意1.3.3 超声喷丸法（USSP）超声喷丸(Ultersonic Shot Peening-USSP)是在一个容器内放置大量不锈钢球丸或硬化钢球弹丸，样品固定于容器的上壁，容器内充满惰性保护气体，容器下部作垂直振动，使弹丸以随机方向与样品下表面发生高速碰撞。该技术主要利用气固双相流作为载体，携带硬质固体微粒以极高的动能轰击金属表面使金属表面发生强烈的塑性变形，使晶粒细化到纳米量级。喷丸时间可根据样品材料的种类、初始状态、喷丸方式以及所需要的纳米晶化层厚度来选择。大量的弹丸撞击，在样品上产生不均匀的局部严重塑性变形，从而实现晶粒细化至纳米量级14。图1-2 SMAT设备简图.1.3.4表面机械研磨法 (SMAT)1.3.4.1表面机械研磨处理法（SMAT）的设备及主要参数表面机械研磨处理法与超声喷丸法所用的设备几乎是完全相同的。表面机械研磨设备是在一个“U” 形的容器中放置大量球形弹丸, 容器的上部固定样品，下部与连接着振动发生装置，弹丸被激发，以较大的能量从各种方向与试样表面碰撞, 从而使材料表面产生强烈塑性变形，最终实现纳米化15。已知当振动器的振动频率为20kHz时，弹丸速度达到大约100m/ s，该种方法称为超声喷丸(Ultersonic Shot Peening , USSP)，此处所提到的表面机械研磨处理法( Surface Mechanical Attrition Treatment , SMAT)，所选用的振动器的振动频率为50Hz的工频，弹丸的冲击速度仅在120m/s之间。超声喷丸法和表面机械研磨处理法的细化晶粒的机理相同，弹丸每冲击材料表面一次，都将使试样在局部范围内产生剧烈的塑性变形，经过一定的处理时间后，试样的整个表面就将产生不同程度的塑性变形，从而获得一定深度的纳米晶粒层。其中弹丸的冲击速度取决于振动频率、弹丸到达样品的距离以及弹丸的尺寸16。超声喷丸法和表面机械研磨处理法的主要的区别在于选取不同的工艺参数。表面机械研磨处理法中，弹丸直径约为8mm，较大，振动时间约为60min，也较长。具体的处理时间可以根据材料的种类、初始状态、喷丸方式以及所需要的纳米层厚度来确定17。由于设备弹丸直径较大，与超声喷丸法相比，在处理时对对试样表面的损伤，材料表面粗糙度无明显改变18，甚至会随着处理时间的延长使表面粗糙度略有下降19。该设备体积较小，只适用于小尺寸平面试样，并仅在试验室研究使用。1.3.4.2用表面机械研磨处理（SMAT）在不同材料体系上进行的实验在表面机械加工自纳米化处理过程中，金属的晶体结构及层错能大小是影响晶粒细化与塑形变形机理的主要因素。中、高层错能的体心、面心立方晶体金属中，通过位错滑移协调变形，晶粒细化机理为“位错分割”方式；低层错能及含有热力学亚稳相的金属的变形方式包括应变诱导马氏体相变、孪生与位错分解，通过孪晶分割及马氏体分割形成纳米晶粒组织。（1）运用表面机械研磨处理（SMAT）处理高层错能金属纯铁是典型的体心立方( bcc) 晶体结构，且层错能高，为200mJ/m2左右16。参考Tao等人的工作4，可知纯铁经表面机械研磨处理后，在距表面110的深度范围内产生了不同程度的塑性变形，特别是距离表层15以内形成了10nm左右的纳米晶粒，随着深度增加到60深，晶粒尺寸由10nm增至微米量级。在应变及应变速率较小的距表面6080范围内，位错滑移形成稠密的位错墙(DDWs) 和随机取向的位错缠结(DTs) ，在弹丸反复冲击下，试样受到应力的重复作用，位错不断增殖、重排和相互作用，位错墙和位错缠结从而形成大量的位错胞；且随着深度减少至4060，应变及应变速率随之增大，越来越多的位错塞积在位错墙和位错缠结处。位错墙和位错缠结内的位错的自发湮没和重排使系统能量达到最小化，位错墙和位错缠结转变成小角度亚晶界；随着应变的增大，位错不断增殖并在亚晶界处湮没，使亚晶界处的能量增加及其晶界取向增大，通过位错塞积和晶粒之间的相对旋转或晶界滑动使相邻晶粒取向不断增大。此过程会在已形成的小晶粒中再次继续进行。直至当位错的增殖速率和湮没速率达到平衡时，晶粒尺寸就将保持稳定不再细化16。（2）运用表面机械研磨处理（SMAT）处理中层错能金属Cu是典型的中等程度层错能金属，其在表面机械加工处理过程中晶粒细化的机理与高层错能的属不同。Cu具有fcc晶格结构, 其层错能为78mJ/m2 左右，Zhao等人详细研究了Cu动态塑性变形后材料内部的不同结构20。fcc金属与bcc金属相比具有更多的位错滑移面，在弹丸的冲击下产生应变，应变诱导位错运动形成等轴位错胞，位错胞胞内几乎没有位错，高密度的位错塞积在边界，应变和应变速率的大小决定着位错胞的尺寸。而后随着应变的增大，位错胞的尺寸减小，成网状；同时，在一定的应变和应变速率作用下，距表面10100的范围内，一些处于有利取向的晶粒开始出现孪晶，而另一些晶粒中，随着应变的增大，位错胞逐渐转化为小角度的亚晶界。孪晶界和亚晶界将原始粗大晶粒细化成细晶粒或亚晶粒；随着应变的进一步增大，亚晶界转化为大角度晶界，我们就会在样品表面获得随机取向的纳米晶粒16.20。（3）运用表面机械研磨处理（SMAT）处理低层错能金属对于高层错能的金属，不同滑移面上的位错能够产生交滑移，但是对于低层错能金属而言，由于其层错能低，在应力应变作用下，不同的位错只能在各自的滑移面上滑移并相互交割成网格结构。从而使得低层错能金属的晶粒细化机理不同于中高层错能的金属16。奥氏体不锈钢AISI304是低层错能金属的典型例子，其层错能为17mJ/m2。Tao等人4对奥氏体不锈钢AISI304的晶粒细化机理进行了研究。试样表层在弹丸冲击作用下,在较深处(300处) 产生较小的应变，试样层错能低，限制了位错的交滑移，形成了含有平面型位错列和堆垛层错能的奥氏体相；距表面大约150处，随着应变速率的增大，位错滑移至网格边沿产生塞积，当位错塞积的内应力达到机械孪生变形所需的临界切分应力时，单系孪晶产生；距表面大约100处，随着应力应变的增大，单系孪晶就会过渡到多系孪晶，孪晶的密度进一步增大；距表面大约40处，不同的孪晶系相互交割将粗大晶粒分割成四边形小块，同时在多系孪晶交割处具有较高的变形储存能，从而诱发马氏体相变，形成双相组织，此时，马氏体相的尺寸主要取决于相互交割的孪晶尺寸，细小的晶粒之间存在一定的位相差；距表面大约10处，应变和应变速率进一步增大，可开动的孪晶系增多，交割加剧，马氏体相增多，在大应变、高应变速率和多方向载荷的反复作用下，最终形成了等轴、取向随机的马氏体纳米晶组织16。1.3.5表面机械碾磨处理法（SMGT）1.3.5.1表面机械碾磨处理法（SMGT）的设备及主要参数表面机械碾磨法是一种具有创新性的表面纳米化的技术21。表面机械碾磨法是在棒状材料的表面制备纳米-微米结构的梯度表面层的技术，这与表面机械研磨法（SMAT）在平板材料上制备表面纳米层有相似之处，但是表面机械碾磨法（SMGT）解决了棒材的加工问题。表面机械碾磨法（SMGT）的基本原理图如图1-5所示。在图1-3(a)中，可以看出，圆柱状的试样相对于半球状的刀具尖端以v1的速度旋转，刀具尖端的半径为r，并且刀具尖端沿着水平方向以v2的速度从右向左滑动，图中的ap是刀具尖端的吃刀量，因此我们可以描绘处材料表面的塑形变形区，如图1-3(b)所示。表面机械碾磨法（SMGT）的基本原理图如图1-5所示。在图1-3(a)中，可以看出，圆柱状的试样相对于半球状的刀具尖端以v1的速度旋转，刀具尖端的半径为r，并且刀具尖端沿着水平方向以v2的速度从右向左滑动，图中的ap是刀具尖端的吃刀量，因此我们可以描绘处材料表面的塑形变形区，如图1-3(b)所示。(a) (b)图1-3 表面机械碾磨法(SMGT) (a)表面机械碾磨法(SMGT)简图(b)工具尖端作用下产生的材料表面塑形变形层示意图1.3.5.2表面机械碾磨处理法（SMGT）的实验效果同时，由于棒材相对于刀具尖端的高速碾磨，于是温度可能有一定程度的增高，从而是细化的晶粒长大。于是，实验人员选择了热导率较好的Cu作为实验材料，制成试样。并且用液氮保证实验在低温下进行。刀具选择的材料为WC/Co。实验后，通过表征，可知在表面层晶粒的平均尺寸为22nm，随着深度增加至距离表面200的深度，材料逐渐完成由纳米-微米-亚微米量级的转化。于此同时，显微硬度也由材料表面的2.1Gpa降至基体粗晶粒的1.1Gpa21。1.3.6超声冷锻技术（UCFT）的设备及主要参数超声冷锻技术是一种纳米结构表面修整技术，这种技术可以改善材料的硬度、韧性和磨损性能22。图1-4 超声冷锻技术过程图超声冷锻技术的动力源为超声震动能。每秒钟上万次的冲击作用在材料的表面上，与此同时，一个恒定的压力也与这个脉冲压力共同作用。这些冲击在材料的表面层引起了严重的塑性变形，并且也使材料表面产生了一定厚度的纳米层22。超声冷锻技术的设备模型和基本操作过程如图1-4所示。图中Pst是静载荷，P是动载荷的振幅，S是超声震动设备主轴的进给量，Ss是相邻两个冲击点之间的距离。在超声冷锻中，超声震动设备作用在工件上的总载荷Pt是静载荷与动载荷的总和，即Pt = Pst + P sin 2ft，而且动载荷是静载荷的2.5到5倍22。1.3.7超声表面轧制技术（USRP）1.3.7.1超声表面轧制技术（USRP）的设备及主要参数超声表面轧制方法的设备如图1-7所示，包括两个部分：超声波发生器和表面轧制操作器。后者包括陶瓷压电换能器、振幅变换棒和工作端。工件被弹簧固定在底部，表面轧制操作器和工件之间产生的静载荷。同时，压缩空气也能够对换能器进行冷却。产生波发生器产生的中心频率为20KHz，振幅范围为02523。在一定的进给速率下，静载荷和才生震动作用在工件的表面，由于这种冷挤压，工件的表层产生弹性和塑性变形。加工后，弹性变形回复，试样表面波峰向波谷的塑性流动填平了试样表面。同时，在静载荷与超声震动联合作用，引起了材料表面严重且均一的塑性变形，这使得原始的相邻晶粒区域被重重的压碎。重复的进行的超声表面轧制过程可以使晶粒的细化变得均一，增加变形层的深度，增加纳米层的厚度23。 1.3.7.2超声表面轧制技术（USRP）的实验效果Wang等人23选择了淬火并回火处理过的40Cr轴进行实验，在数控加工机上反复进行15次超声表面轧制。工作端顶部呈半球形，直径5mm，表面粗糙度0.010.02，材料为烧结碳化硅。静载荷为400N，在加工过程中应使用冷却剂。超声表面轧制的效果非常的突出。各项力学性能都有不同程度的提高。最值得指出的是材料的表面粗糙度：将经过超声表面轧制处理过的40Cr轴与普通抛光处理过的40Cr轴进行比较，前者的表面粗糙度Ra为0.06，后者为0.2823。可见超声表面轧制处理在需要注重材料的表面粗糙度的场合大有用处。当然，还有一些使材料表面纳米化的机械加工方法，如超音速微粒轰击法24 和摩擦旋转处理24等，这里不再详述。1.4实验方案的选取及以往方法的缺陷和比较1.4.1实验方案的选取对前人工作的总结，以及导师的指导，我选定了毕业设计的研究方向，即快速旋转多重碾压制备金属表面超细晶结构。以期能够创造出一种全新的机械加工工艺与装备制备材料表面超细晶以至纳米晶结构。主要研究如下：第一，选定实验材料，设计实验流程，进行表面旋转碾压实验；第二，对加工后的试样进行表征测试，分析实验数据；第三，分析机理，总结表面多重旋转碾压设备的加工效果，得出结论。1.4.2以往方法的缺陷和比较1.4.2.1表面机械研磨处理（SMAT）的问题但是，超声喷丸设备由于其机构特点存在两个方面的不足。第一，试样被固定在U形容器的上部，单个弹丸撞击的能量在弹丸直径和振动频率固定的情况下取决于试件下表面和容器底部之间的距离，所以要得到表面纳米化所需的能量，处理的试件厚度不能太大，对试件的其他尺寸也有限制。第二，在该设备中采用的弹丸直径一般为8mm或3mm，弹丸直径较大，不能处理具有复杂形状的试件，只能处理100 mm100 mm 左右的薄板试件13。1.4.2.2静载处理的问题表面自身纳米化技术自提出以来，研究进展颇丰，该技术的独特性已使其在某些工业进展中取得的巨大的成果。如表面机械研磨处理过的纯铁板的渗氮温度可由500度降至300度25。但是总体来说，该技术距离实际应用还有一定的距离。具体的问题有：第一，粗糙度的问题。超声喷丸法和表面机械研磨处理法等是动载荷作用在工件上，小球或者小喷丸的能量很大，容易在试样的表面造成损伤。从而破坏试样的表面粗糙度。而如对超声冷轧技术和超声表面轧制技术等动载荷与静载荷相结合的技术而言，加工后试样的表面粗糙度较好，从而应用的范围更广。第二，复杂零件的加工问题。通过对文献的阅读，我们知道，几乎每一种机械加工的方法，都对应着某种加工设备和试样的形状，总体来说，不外乎板材和回转体。对于生产中广泛使用的造型较为复杂的零件，目前没有十分有效地方法。2 旋转碾压材料表面纳米化实验内容与方法2.1 旋转碾压材料表面纳米化实验内容 利用表面多重旋转碾压装置对实验板材表面进行旋转碾压处理，使板材表面晶粒细化，甚至达到纳米化；分别改变各种工艺参数，如电机转速、加工压力、碾压时间，而后对不同参数下加工后的试样进行表征测试，分析表面纳米化后的组织和性能的变化。2.2旋转碾压材料表面纳米化实验方案2.2.1实验材料实验材料：45钢；规格：20010010mm，10块；润滑油；无水乙醇；金刚石研磨膏；3%浓度的硝酸酒精等。2.2.2实验仪器 多重旋转碾压设备；金相试样抛光机，型号为P-2T，上海研润光机科技有限公司；显微维氏硬度计，型号为FM-700，产地日本 东京；金相镶嵌机，型号为XQ-2B，莱州市蔚仪试验器械制造有限公司；台式砂轮机，型号为S2ST-200，上海方耀机电设备有限公司北珠分公司；数显显微硬度计，型号为HVS-1000，莱州华银试验仪器有限公司；金相显微镜型号，型号为Nikon，EPIPHOT300，产地日本；X射线衍射仪，型号为 Rigaku D/MAX-rA；铣床；磨床；线切割设备；各种牌号的金相砂纸等。2.2.3实验流程设计（1）将4块实验板进行编号；（2）对4块实验板进行快速旋转碾压实验的实验参数的选取如下表所示。表2-1 45钢快速多重旋转碾压实验方案参数编号旋转速度加工时间接触压强保持压强11800r/min30min3.8MPa4.2MPa21800r/min45min3.8MPa4.2MPa31800r/min60min3.8MPa4.2MPa4空白试样2.3旋转碾压材料表面纳米化实验过程2.3.1实验材料制备将4块实验板先进行退火处理，炉冷至室温后取出，而后分别在铣床和磨床上进行铣削、磨削的表面加工处理。加工后保持试样保持一定的平整度与光洁度，粗糙度达到Ra0.8如图2-1所示。在进行表面加工后，在实验板上涂抹润滑油，防止生锈。 图2-1表面加工处理后的试样 图2-2快速多重旋转碾压后的试样2.3.2快速多重旋转碾压实验按照表2-1中的实验参数对1-4号实验板进行快速多重旋转碾压实验。快速多重旋转碾压后实验板表面如图2-2所示。实验中有以下注意事项：（1）为维持设备运行平稳、保证试样表面加工质量、控制转头部分温度，每加工15min，则停机，对转头、特别是转头中的珠子用煤油进行清洗。（2）操作过程中密切注意设备运行情况，如有异常，应立即松开千斤顶油路开关，而后停机。（3）时刻注意转头在试样表面的加工情况，保持转头始终在试样上运转，同时不断加压使压力保持在合理的范围内。（4）严格按照操作规程，注意安全。为检验快速多重旋转碾压的效果，需在实验板上进行取样，进行表征。具体的检样位置见图2-3。图2-3 实验板上取样位置2.3.3金相测试如图2-3所示，在4号实验板上加工区域内取样，标记为试样4-1。测试其表面（加工面）金相。如图2-3所示，在1至3号实验板上加工区域内取样，分别标记为1-1，2-1，3-1。测试其截面金相。所取试样尺寸均为10mm10mm10mm，先用砂轮进行简单打磨，而后用镶嵌机镶嵌，在金相砂纸上打磨，抛光机上抛光，并用3%的硝酸酒精溶液侵蚀后，在金相显微镜下观察组织。2.3.4X射线衍射测试如图2-3所示，在1至3号实验板上加工区域内取样。试样标记为1-2、2-2和3-2。试样尺寸为10mm10mm10mm，用X射线衍射仪对试样表面（加工面）进行测试。实验条件：CuK辐射，40KV50mA，=1.54184。扫描速度：4/min。2.3.5显微硬度测试（1）如图2-3所示，在4号实验板上加工区域内取样，标记为试样4-1。在其表面（加工面）任意选取三点，用显微维氏硬度计测试其显微硬度值。（2）如图2-3所示，在1至3号实验板上加工区域内取样，分别标记为1-3，2-3，3-3。在1号、2号、3号试样表面上加工区域内各自任选三个点，分别测试其显微硬度值。显微硬度用显微维氏硬度计测试。载荷为300gf，加载时间10sec，读数精度为0.2，放大倍数为400倍。3 旋转碾压材料表面纳米化实验结果与分析3.1金相测试结果与分析（1）试样4-1表面金相如图3-1所示。由图3-1可知，45钢的基本组织是黑色的珠光体和白色的铁素体相间。图3-1 试样4-3表面金相（2）试样1-1，2-1，3-1截面金相如图3-2所示。 (a) (b) (c)图3-2 试样1-1、2-1、3-1的截面金相(a)试样1-1 (b)试样2-1 (c)试样3-1 将图3-2中的(a)、(b)、(c)与图3-1对比可知，靠近加工面位置附近的晶粒有明显的细化。1号和2号实验板的加工时间分别为30min和45min，加工时间不足，变形层的厚度相对较小，晶粒的大小与图3-1相比，虽然有明显的细化，但尚未达到纳米尺度，所以需要增加加工时间。由此可知，在相同的压强0.4MPa和相同的转速1800r/min下，加工时间由30min、45min、60min逐个增加，实验板表层晶粒的细化程度增加。图3-2(a)、(b)、(c)中靠近加工面区域的晶粒明显得到细化，变形层部分较明显，尤其图(c)试样3-1的表面加工区域已呈现出明显的多重旋转碾压加工痕迹，且在试样表层已经形成了一层细密的与其他部分完全不同的组织，其晶粒的细化效果与图(a)、(b)相比较明显。由于实验器材的局限，无法看清加工面附近的晶粒大小，因而还需进一步的实验来判断加工面附近晶粒尺寸的大小。3.2 X射线衍射结果与分析试样1-2、2-2和3-2进行X射线衍射后的结果如图3-3所示。（a） （b） （c）图3-3 试样1-2、2-2和3-2加工面X射线衍射图(a)试样1-2 (b)试样2-2 (c)试样3-2 由图3-3所示，可知在加工条件为1800r/min，加工时间为30min、45min、60min时，压强为0.4MPa的情况下，并无新的衍射峰产生，因此可知无新相产生，主相为Fe。按照图3-3，从左向右命名峰1、峰2、峰3。比较图3-3中的三个图， (c)图相较于(a) 、 (b)图，衍射峰的强度降低、峰展宽程度加大较为明显，晶粒得到细化。其中，峰1强度由6800左右降至4800左右；峰2强度由3100左右降至2700左右；峰3强度由3500降至2900左右。而(a)、(b)之间的衍射峰强度、峰展宽