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梯度纳米结构圆棒样品的自平衡制备装置研发及性能表征 梯度纳米结构圆棒样品的自平衡制备装置研发及性能表征 摘 要 纳米结构材料相比传统粗晶材料具有更高的强度，但是加工硬化能力、塑性 和韧性显著降低，使得纳米结构材料的应用和发展受到了极大地制约。研究发现 梯度纳米结构材料可以有效地克服纳米结构材料的性能缺点，能在提高材料强度 的同时保持良好的塑性。本文针对梯度纳米结构圆棒样品的制备技术和性能特点 进行研究，主要包括以下几个部分： （1）基于表面机械滚压处理（SMRT ）技术设计了一款梯度纳米结构圆棒 样品的自平衡制备装置。通过自平衡滚压装置使材料表面产生高应变速率的强烈 塑性变形，从而细化晶粒，制备出梯度纳米结构材料。梯度纳米结构圆棒样品的 自平衡制备装置主要包括普通车床、自平衡滚压装置、滚压压力系统和工作液循 环系统。 （2 ）制备了梯度纳米结构 316L 不锈钢样品，并对其进行性能表征。316L 不锈钢母材中大部分为奥氏体，马氏体的体积分数约为 3.6% 。晶粒尺寸范围从 18 μm 到 222 μm ，平均晶粒尺寸为 53 μm 。样品的外部梯度层（最大深度为 50 μm ） 主要由具有大量马氏体的梯度纳米结构层组成，平均晶粒尺寸从 120 nm 逐渐增 加到 260 nm 。从50 μm 到 250 μm 的深度，存在大量具有马氏体相变的超细晶， 平均晶粒尺寸为 260 nm 。随着深度的增大，马氏体含量减小，马氏体含量在深 度 15 μm 处约为 33%，148 μm 处约为 21% 。 样品的显微硬度由表及里呈现梯度变化，芯部粗晶材料的维氏硬度在 198 HV 左右，而距表层 40 μm 处显微硬度可达 440 HV ，提高了 122%。随着深度的 增加，梯度层的纳米晶、滑移带和孪晶等逐渐减少，硬度逐渐降低，最终和芯部 粗晶保持一致。 样品的抗拉强度提高了约 13% （从591 MPa 到 666 MPa ），断裂延伸率降低 了约25% （从114%到 85%）。样品的表面粗糙度Ra 小于 0.1 μm，轴向表面压缩 残余应力可达-1500 MPa，环向表面压缩残余应力可达-700 MPa 。 （3 ）制备了梯度纳米结构310S 不锈钢样品。在试验中，通过改变主轴转速 和纵向进给速度来改变应变速率。进行了大量的试验后，优选出分别适合加工热 处理和未热处理两种状态下的 310S 不锈钢的 SMRT 加工参数，成功制备出了梯 度纳米结构 310S 不锈钢（热处理）和梯度纳米结构 310S 不锈钢（未热处理）两 种样品。 I 浙江工业大学硕士学位论文 （4 ）梯度纳米结构310S 不锈钢的性能表征。热处理样品：样品的表层晶粒 尺寸明显减小，距边界约 30 μm 范围内的晶粒用金相显微镜无法看清，影响层深 度在 1200 μm 左右；样品的抗拉强度提升了约 27% ，均匀延伸率下降了约24% ， 断裂延伸率下降了约 23% ；显微硬度在试样横截面的径向上呈梯度变化，距试样 表层 50 μm 处硬度值提高了约 111% ；样品的表面残余应力为压缩残余应力，其 中轴向表面压缩残余应力可达-1700 MPa，环向表面压缩残余应力可达-700 MPa ； 样品的表面粗糙度 Ra 低至 0.052 μm 。 未热处理样品：随着 SMRT 加工次数的增加和 SMRT 工作压力的增大，试 样的断口形状会发生改变，当最大 SMRT 工作压力达到 910 N 时，样品的断口 形状由粗晶态时的杯锥状变为斜角状。最大 SMRT 工作压力为 1200 N 的梯度纳 米结构 310S 不锈钢样品，抗拉强度提升了约 9.7%，均匀延伸率下降了约 5%； 断裂延伸率下降了约 5%；距样品表层 50 μm 处硬度值提高了约 78% ；样品的梯 度层厚度约 1.2 mm，表面粗糙度Ra 小于 0.1 μm 。 SMRT 加工后样品的表面残余应力均为压缩残余应力，且随着 SMRT 加工次 数的增加和 SMRT 工作压力的增大而增大。当 SMRT 加工次数达到 12 次，SMRT 工作压力达到 1200 N 后，再增加 SMRT 加工次数、增大 SMRT 工作压力，表面 压缩残余应力不再有明显变化。 将制备好的试样磨去一定厚度的梯度