304不锈钢管内表面纳米化及其微观机理研究

 浙江至德钢业有限公司基于304不锈钢管在工业中的广泛应用和内表面改性需求，开发新的表面塑性变形方法，在304不锈钢管内表面制备纳米结构表层，并选择具有广泛工业应用背景的低层错能材料AISI 304不锈钢作为对象，定量计算变形工艺参数，详细表征微观结构并评价表面性能，现得到如下结论：

 1. 发展了一种304不锈钢管内表面纳米表层的制备技术——管件内表面碾磨（PISG）。利用三个呈120°分布的硬质合金球以点接触，高速剪切样品表面，引入高速表面塑性变形。通过孪晶偏转，获得PISG变形工艺参数：1道次表面剪切应变达到了12以上，应变速率达到了10 4~10 5 s-1，应变梯度则达到了0.98μm-1左右，变形工艺参数均随深度增加呈指数降低。

 2.实现了304不锈钢管内表面纳米化。4道次PISG处理后，304不锈钢管内表面产生了厚度约800μm的梯度硬化层，表层硬化至基体的两倍以上。距表层100μm的区域，形成单相奥氏体组织，晶粒尺寸小于100 nm；深度减小至30μm时，形成平均宽度约80 nm的板条组织；表层平均晶粒尺寸约为20 nm以下。

 3. 建立了304不锈钢管的结构演化至纳米尺度的一般过程。随着变形增加，304不锈钢管的结构演化历经四个阶段：位错滑移主导的变形：应变较低时，位错滑移被限制在{111}面上，形成平面型位错列，不同方向的位错列互相交割，形成位错网络；变形孪晶主导的变形：应变较高时，产生单系和多系孪晶，孪晶互相交叉，将晶粒分割成块，同时，导致马氏体相变，形变诱导的马氏体与奥氏体满足经典的K-S取向关系；剪切带主导的变形：更高的应变，孪晶局部剪切产生剪切带，剪切带导致孪晶变形弯曲和取向关系的改变，随后剪切带内部出现孪晶亚结构的产生和再消失，以及层片组织的形成；纳米晶的形成：剪切带内发生退孪生，形成宽度约为80 nm的板条组织，逐渐被内部产生的位错界面（小角晶界）分割，形成约为20 nm的等轴状纳米晶。