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摘 要

奥氏体不锈钢凭借表面稳定且致密的钝化膜Cr₂O₃，使其拥有杰出的耐腐蚀性、韧塑性和可加工性，并且广受欢迎。但它的硬度和强度较低且不耐磨，容易产生疲劳破坏。而使用常规的化学热处理方法，例如高温渗碳法对其进行表面强化，会导致表面析出较多Cr元素，产生“贫铬”现象，进而影响奥氏体不锈钢原有的耐腐蚀性能。低温（lt;500℃）表面渗碳技术恰好解决了这一问题。

本文针对目前在工程上被广泛使用的316L奥氏体不锈钢，开展低温气体渗碳表面强化试验研究和数值模拟。主要研究内容和成果如下：

（1）开展了316L奥氏体不锈钢的低温气体渗碳试验，建立了基于应力诱导及与浓度相关的碳扩散动力学模型，对渗碳层中的碳浓度沿深度方向的分布规律进行研究。从试验数据和模拟结果的对比分析表明，两者吻合较好。

（2）研究结果表明，碳浓度梯度是影响碳的扩散系数的主要原因，两者呈正相关关系；而奥氏体不锈钢表面经过碳原子的渗入后，产生的压缩残余应力梯度也在一定程度上促进了碳的扩散。

关键词：奥氏体不锈钢 低温表面渗碳 碳扩散 应力梯度 与浓度相关的扩散系数

Numerical analysis of concentration-dependent carbon diffusion in low-temperature surface carburized of austenitic stainless steel

Abstract

The austenitic stainless steel is prevalent on account of steady and dense passivation film Cr₂O₃ on the surface of them, which makes it has prominent corrosion resistance, tenacity, Plasticity and workability. But it is prone for it to produce fatigue failure phenomenon because its hardness and strength are low and it is not wear-resistant. Many conventional chemical heat treatment methods are used, such as high-temperature carburizing method to enhance the metal surface on which more Cr is precipitated, resulting in a "chromium-depleted" phenomenon, which in turn affects the original corrosion resistance of austenitic stainless steels. The low temperature (lt;500°C) surface carburizing technology precisely solves this problem.

In this dissertation, the researches about experimental study and numerical simulation of low-temperature gas carburizing of 316L austenitic stainless steel, which is widely used in engineering are carried out. The main research contents and results are as follows:

(1) A cryogenic gas carburizing test of 316L austenitic stainless steel is carried out and a carbon diffusion kinetics model based on stress induction and carbon concentration. Then, an analysis of distribution Regularity of carbon concentration in carburized layer in depth direction is carried out. A comparative analysis of experimental measurement data and simulation results shows that the two are in good agreement.

(2) The results of the research show that: The carbon concentration gradient is the main factor affecting the diffusion coefficient of carbon, and there is a positive correlation between them. The compressive residual stress gradient also played a role in the diffusion of carbon, resulting from the infiltration of carbon atoms into the surface of austenitic stainless steel.

Key Words: Austenitic stainless steel; Low-temperature surface carburization; Carbon diffusion; Stress gradient; Concentration-dependent diffusion coefficient

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1奥氏体不锈钢 1

1.2奥氏体不锈钢的表面强化工艺 1

1.3奥氏体不锈钢低温表面渗碳技术的发展及研究现状 2

1.3.1国外奥氏体不锈钢低温表面渗碳技术的研究现状 2

1.3.2国内奥氏体不锈钢低温表面渗碳技术的研究现状 3

1.3.3低温渗碳技术的发展趋势 3

1.4低温渗碳模型的研究 4

1.5课题的研究内容及方法 4

1.5.1研究内容 4

1.5.2研究方法 5

第二章 低温表面气体渗碳试验及结果分析 6

2.1引言 6

2.2试验装置 7

2.2.1 气体供应系统 8

2.2.2 混合反应系统 8

2.2.3 渗碳炉加热系统 9

2.2.4 参数监控系统 10

2.2.5 预警安全系统 11

2.3试验原理 11

2.3.1 表面活化原理 11

2.3.2 低温气体渗碳原理 12

2.4试验步骤 13

2.4.1 准备试样 13

2.4.2 创建试验环境 14

2.4.3 表面活化处理 14

2.4.4 气体渗碳处理 14

2.4.5 试验收尾处理 14

2.4.6 试样后处理 15

2.5试验结论 16

2.5.1碳浓度分布 16

2.5.2残余压应力分布 17

2.6小结 17

第三章 与浓度相关的碳扩散的数值模拟 18

3.1引言 18

3.2与浓度相关的碳扩散模型建立 18

3.3试验结果和模拟计算结果的比较 22

3.4小结 24

第四章 总结期望与经济评价 25

4.1 工作总结 25

4.2经济评价 25

4.3研究的贡献 26

4.4研究的期望 26

参考文献 27

致谢 31

第一章 绪论

1.1奥氏体不锈钢

不锈钢因为具有良好的抗腐蚀能力，被广泛用于石化工业、核电能源、食品制药、航空航天、交通运输等领域^[1]。在不同工况需要使用不同特性和种类的不锈钢，按照钢的组织结构不锈钢可以分为五个大类，分别为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢和沉淀硬化不锈钢^[2]。

奥氏体不锈钢，即不锈钢以奥氏体组织结构形式为主，它在常温下能够稳定存在，该组织为面心立方晶格^[2]。奥氏体不锈钢按其化学成分可分为两类：Cr-Ni系（300系）和Cr-Mn系（200系）奥氏体不锈钢^[2]。300系不锈钢虽然价格更贵，但其综合性能远超200系，目前300系产量已经超越200系,成为不锈钢消费的主体^[1]。典型的300系奥氏体不锈钢型号主要有301、304、304L、309、316、316L、347等，其成分中铬含量为16～25%，镍含量为7%～20%、含碳量约为0.1%。。

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