机械研磨表面梯度渗层的塑性变形行为及界面扩散机制研究

Compared with traditional carburizing and heat treatment process, surface mechanical attrition treatment is capable of forming the gradient harden layer with carbon presence, improving the efficiency and homogeneity of carburizing and promoting the mechanical and service properties. In present, however, the mechanical polishing carburizing treatment technology is not yet perfect. There are limited researches directed at the diffusion behavior of surface carbon element and surface micro-plastic deformation, and performance controlling of mechanical attrite carburizing process. In view of the structural particularity of gradient carbon-containing layer, the project plans to employ the surface mechanical attrition treatment and low tempering to prepare the nano alloyed carbon-containing coating. Exploring the diffusion mechanism of different way of the introduction of reactant in attrition process and gradient distributing disciplinarian of carbon element along the depth direction, research the effect of rare earth doping on the depth of carburized layer and the alloying reaction rules of each components. Illuminate the effects of pre-deformation and pre-oxidation on the evolution of the depth of modified layer, grain size and residual stress. Based on the theories of grey relation and metal elastic deformation, build the math model of micro-plastic deformation and evolution of residual stress, thereby to establish cyclic deformation rule of modified layer and the mechanism of the initialization and inhabitation of interior cracks. The project also aims at achieving the preparation procedure controlling of the mechanical property of mechanical attrite layer, perfecting the reacting theory of mechanical attrite metal, so as to promote the development of the technology and the theory of surface modification.

相比于传统的渗碳热处理工艺，表面机械研磨技术可以在材料表面形成梯度结构的含碳硬化层，提高渗碳效率和均匀性，并提升涂层力学性能和服役性能。但目前机械研磨渗碳处理的工艺尚不完善，以及针对表面碳元素的扩散方式和表层微塑性变形行为、性能调控机理的研究较少。本项目针对梯度含碳改性层结构的特殊性，拟采用表面机械研磨技术与低温回火技术制备纳米合金化含碳涂层。探索研磨过程反应物不同引入方式的扩散机理以及碳元素沿深度方向的梯度分布规律，以及稀土掺杂对渗碳层深度的影响和各组元合金化反应规律。阐明基材的预变形（预拉伸、预压缩）和预氧化处理，对改性层深度、晶粒尺寸和残余应力演变规律的影响。基于灰度关联理论和金属弹塑性变形理论，建立微观塑性变形和残余应力演变的数学模型，确立改性层的循环形变规律和内部微裂纹萌生与抑制的机制。实现机械研磨层力学性能的制备工艺调控，完善机械研磨合金反应理论，推动表面改性技术和理论的发展。

表面机械研磨技术相比于传统的渗碳热处理工艺，可以在材料表面形成梯度结构的含碳硬化层，提高渗碳效率和均匀性，并提升涂层力学性能和服役性能。但目前机械研磨渗碳处理的工艺尚不完善，针对表面碳元素的扩散方式和表层微塑性变形行为、性能调控机理的研究较少。本项目针对梯度含碳改性层结构的特殊性，采用实验与数值模拟相结合的研究方法，对机械研磨表面梯度渗层的表/界面结构，以及热、力作用下渗层的应力状态及元素分布情况进行了有针对性的深入探究，以期获得机械研磨表面梯度渗层的塑性变形演变机理和元素扩散机制。项目按照预期研究计划执行，研究过程顺利，已经完成的主要研究内容有：采用表面机械研磨技术，制备了纳米级梯度渗层，重点研究了涂层，以及涂层/基体界面处的结构特征，揭示了机械研磨表面渗层的形成机理；研究了退火工艺对机械研磨渗层微观组织结构及力学性能的影响规律，明确了渗层的力、热耦合强化机制；揭示了稀土掺杂对机械研磨渗层界面结构以及碳元素扩散的影响规律，阐明了稀土掺杂时碳元素扩散效率提高的原因；探究了机械研磨表面渗层的塑性变形行为，获得了渗层塑性变形与应力之间的映射关系，建立了机械研磨梯度渗层的分子动力学模型，从分子尺度探究了机械研磨过程渗层微观缺陷的形成过程以及碳元素的扩散机制，阐明了在力、热作用下碳元素的扩散规律；开展了机械研磨与真空渗碳复合渗层的多元强化机制与界面反应规律研究，为新型梯度渗层的结构及性能优化设计提供理论指导。本项目深入揭示了机械研磨表面梯度渗层的塑性变形演变机理和扩散机制，为机械研磨渗层形成机理的构建提供理论支撑和实验依据，为精密齿类、轴类零件的表面改性和强化设计具有重要的指导意义。同时，基于上述研究成果，申请国家发明专利5项（其中授权1项）；发表SCI学术论文13篇；获得黑龙江省高校科学技术奖（三等）1项。