不锈钢表面纳米化对应力腐蚀敏感性影响的小冲杆试验研究

论文摘要

材料的表面纳米化技术及其推广应用是20世纪90年代以来各国科学家的重点研究领域。目前存在的材料自身表面纳米化方法都难以实现自动化,不具备工业上对材料进行大规模处理的潜力。同时,随着对表面纳米化技术研究的日益深入,人们愈加关心材料在经过表面纳米化处理后,其组织结构、力学行为和化学行为的转变。人们也逐渐把提高材料抗应力腐蚀开裂性能的希望寄托在了表面纳米化技术上,关于金属材料自身纳米化后抗应力腐蚀性能的研究报道逐渐增加,但由于分析方法和试验手段的制约,一直没有取得突破性的进展。本文采用具有工业化前景的表面纳米化技术手段——表面机械滚压处理（SMRT）对304L奥氏体不锈钢进行了表面纳米化处理,并与传统的表面机械研磨处理（SMAT）进行了全面的对比分析。作者采用SMAT技术对SS304L进行了分区域（母材、热影响区和焊缝）纳米化处理并对分别对它们的纳米化效果和机理进行了研究。同时,作者根据表面纳米化后材料的特殊性,开发设计了一套新型的应力腐蚀敏感性评估装置——小冲杆应力腐蚀测试技术,并采用该方法系统研究了304L奥氏体不锈钢表面纳米化前后不同区域（母材、热影响区和焊缝）的力学性能及其应力腐蚀敏感性。主要研究内容和重要结论如下：（1）采用表面机械滚压法（SMRT）,分别在液氮和常温空气环境下对SS304L进行了不同冲击次数下的表面纳米化处理,并从组织转变、力学性能变化等多个角度对其纳米化效果进行了表征和分析,同时将SMRT法与表面机械研磨处理（SMAT）进行了全方位的对比。试验证明了SMRT可以有效在304L奥氏体不锈钢表层形成大量具有随机取向的纳米晶组织。该方法的优点是可以进行不同温度环境下的纳米化处理,具备实现自动化的潜力。（2）对SS304L实施了分区域（母材、热影响区和焊缝）表面纳米化处理,并对不同区域的纳米化效果和机理进行了表征研究。同时,采用小冲杆试验对SS304L不同区域表面纳米化前后的力学性能进行了对比分析。完善了低层错能金属材料表面纳米化的机理,提出了关于纳米化过程中形成的多系孪晶的细化机理。（3）开发设计了小冲杆应力腐蚀（SPT-SCC）敏感性评估体系,试验研究表明,SPT-SCC试验技术是一种有效的材料应力腐蚀敏感性评估手段,具有试验周期短,结果重复性好,力学性能和断口信息丰富,试样尺寸小及微损取样等特点。可以针对具有不同组织结构的多微区进行分类检测,以及对经过特殊处理的单而进行应力腐蚀试验等。对于传统的应力腐蚀检测手段是一种补充和完善。（4）作者采用小冲杆应力腐蚀敏感性评估装置,对实现表面纳米化后的SS304L材料进行了分区域（母材、热影响区和焊缝）应力腐蚀敏感性评估并对它们各自的机理进行了详细的分析和阐释。得到了表面纳米化处理与抗应力腐蚀性能的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 缩写说明
• 第1章 绪论
• 1.1 背景及意义
• 1.2 材料表面纳米化技术的研究进展
• 1.2.1 纳米材料研究历史
• 1.2.2 表面机械研磨
• 1.2.3 超声冲击
• 1.2.4 表面机械滚压
• 1.2.5 超音速微粒轰击
• 1.2.6 激光脉冲
• 1.2.7 旋转辊压
• 1.2.8 表面机械碾压
• 1.3 表面纳米化对材料性能的影响
• 1.3.1 对力学性能的影响
• 1.3.2 对摩擦磨损性能的影响
• 1.3.3 对疲劳性能的影响
• 1.3.4 对腐蚀性能的影响
• 1.4 小冲杆测试技术用于评估材料应力腐蚀敏感性的研究进展
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 材料表面纳米化技术研究
• 2.1 试验材料及预处理
• 2.2 SMRT试验结果与分析
• 2.2.1 SMRT试验装置与参数选择
• 2.2.2 不同温度下SMRT试验后SS 304L组织结构分析
• 2.2.3 不同温度下SMRT试验后SS 304L硬度分析
• 2.2.4 不同次数SMRT试验后SS 304L组织结构分析
• 2.2.5 不同次数SMRT试验后SS 304L硬度分析
• 2.3 SMAT试验结果与分析
• 2.3.1 SMAT试验装置与参数选择
• 2.3.2 SMAT 30min后SS 304L组织结构分析
• 2.3.3 SMAT 30min后SS 304L硬度分析
• 2.4 材料表面纳米化机理探讨
• 2.5 两种纳米化方法的比较
• 2.5.1 试验过程和参数比较
• 2.5.2 组织结构转变比较
• 2.5.3 硬度比较
• 2.6 本章小结
• 第3章 SS 304L分区域表面纳米化材料的制备与表征
• 3.1 材料准备与试验方法
• 3.1.1 不锈钢焊接试验
• 3.1.2 表面纳米化试验
• 3.1.3 小冲杆试验
• 3.2 SS 304L母材表而纳米化后表征研究
• 3.2.1 组织结构分析
• 3.2.2 力学性能分析
• 3.3 SS 304L热影响区表而纳米化后表征研究
• 3.3.1 组织结构分析
• 3.3.2 力学性能分析
• 3.4 SS 304L焊缝表而纳米化后表征研究
• 3.4.1 组织结构分析
• 3.4.2 力学性能分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 小冲杆法评价材料应力腐蚀敏感性可行性探索
• 4.1 传统应力腐蚀评价手段介绍
• 4.2 小冲杆试验评价应力腐蚀敏感性原理及其技术装置
• 4.2.1 小冲杆试验评价应力腐蚀敏感性的原理
• 4.2.2 试验装置设计
• 4.3 小冲杆应力腐蚀试验参数确定
• 4.3.1 加载速度对常规小冲杆试验的影响
• 4.3.2 腐蚀介质对小冲杆应力腐蚀试验的影响
• 4.3.3 加载速度对小冲杆应力腐蚀试验的影响
• 4.4 小冲杆应力腐蚀试验有效性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 小冲杆试验评估表面纳米化前后SS 304L应力腐蚀敏感性
• 5.1 SS 304L母材表面纳米化前后应力腐蚀敏感性的小冲杆试验评估
• 5.2 SS 304L热影响区表面纳米化前后应力腐蚀敏感性的小冲杆试验评估
• 5.3 SS 304L焊缝表面纳米化前后应力腐蚀敏感性的小冲杆试验评估
• 5.4 SS 304L母材表面纳米化后应力腐蚀开裂机理及其影响因素探讨
• 5.4.1 SS 304L母材表面纳米化后应力腐蚀机理
• 5.4.2 冷加工因素
• 5.4.3 位错因素
• 5.4.4 氢因素
• 5.4.5 马氏体因素
• 5.4.6 应力因素
• 5.5 SS 304L焊接接头表面纳米化后应力腐蚀开裂机理及其影响因素探讨
• 5.5.1 热影响区表面纳米化后应力腐蚀开裂机理及其影响因素
• 5.5.2 焊缝表面纳米化后应力腐蚀开裂机理及其影响因素
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文主要研究内容和结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 后期工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的学术成果与荣誉