1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文 献 综 述
摘要：奥氏体不锈钢有良好的耐腐蚀性、韧性，但是其硬度较低、耐磨性能较差，这减小了其使用范围和寿命[2]。目前针对这个问题，主要采用表面强化技术解决之。一般采用高温渗碳或者渗碳或碳氮共渗（包括气体渗碳和离子渗碳），这样处理后表面硬度得到了较大提升，但付出了耐腐蚀性能。采用低温渗碳可以良好地解决该矛盾。这是近年来新发展的技术，国外已有不少工业化成果，国内还处于发展中。根据文献报道，316L型奥氏体不锈钢低温渗碳效果已知比较好。渗碳过程的控制直接影响到效果，尤其是渗层分布及厚度。若能够模拟碳在钢中分布规律，则能够优化低温渗碳工艺并进一步得出更好的产品，为工业化及理论推广铺路。国内外已有不少数值模拟渗碳的文献，但是大多为高温渗碳，关于低温超饱和渗碳数值模拟的文献极少。低温超饱和渗碳与高温渗碳有很大区别，在影响碳扩散、相变、渗层深度及时间、相成分、工艺等不同。因此有必要重新研究其数值模拟。
关键词：316L奥氏体不锈钢，低温超饱和渗碳，数值模拟，渗层碳分布，渗碳工艺
(一)奥氏体不锈钢的优缺点及对策
不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和韧性，因而在各工业部门及生活中有广泛的应用。其中奥氏体不锈钢是最重要的不锈钢种，其生产量约占不锈钢总产量的70%，钢号也最多[28]。奥氏体不锈钢是铁铬镍为主的合金，其综合力学性能良好，且工艺性能及可焊接性良好[28]。奥氏体不锈钢的低温韧性和非铁磁性扩宽了其应用范围。尽管有诸多优点，但是奥氏体不锈钢的硬度和耐磨性较低，这使得其应用范围大大减小。
为扩大奥氏体不锈钢的应用范围，结合其优良性能又克服其硬度和耐磨性能的缺点，人们想出了很多办法，主要采用表面技术处理。渗碳是其中一项应用最为广泛的方法。这种技术及保留了心部的韧性，又使得其表面硬度的到了极大的提高。一般316L未处理不锈钢其表面硬度仅为300-400HV，经过渗碳强化后可达800-1200HV0.05左右，其渗层深度为20μm-3mm,其表面性能得到了极大的提升。所以这种方法应用极广且技术成熟，主要以高温渗碳为主，相应的数值模拟技术也很成熟。
（二）化学热处理与渗碳方法对比
化学热处理是将工件置于一定的活性介质中加热、保温和冷却，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表面化学成分、组织和性能的热处理[13]。化学热处理的主要特征：固态扩散渗入，改变工件表面层的化学成分，即工件表面不仅有组织的变化，渗层与基体之间有扩散层。化学热处理的驱动力是浓度梯度。化学热处理形成渗层的结构是连续的，属于冶金结合[13]。根据渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。
渗碳技术目前按温度可分为高温渗碳、低温渗碳，按渗碳方式可分为气体渗碳，离子渗碳，真空渗碳等。尽管渗碳方法各不相同，但是有着类似的机理。一般包括三个基本的过程：化学试剂（含有欲渗元素）的分解，活性原子被金属表面吸收，及渗入元素向金属内部扩散。这三个过程是相继进行，相互制约的[13]。由于渗碳的方法及条件不同，对处理效果有很大影响，直接影响其组织和性能。
在高温渗碳中，一般为800℃-1100℃下的渗碳。如此高的温度下，虽然渗碳速度高，但是会改变其微观组织，可能产生金属碳化物，尤其是铬的碳化物，还有使其晶粒变大，会严重影响其耐腐蚀性能及力学性能。这让不锈钢的耐腐蚀性能丧失了优势。
低温渗碳，一般认为Cr的碳化物的生成温度为550℃，故奥氏体不锈钢低温渗碳指的是温度在550℃以下的渗碳[2]。此技术可以弥补高温渗碳在耐腐蚀性能上的缺陷，同时保留其优点。
（三）奥氏体不锈钢低温渗碳研究现状
1.奥氏体不锈钢低温渗碳机理
奥氏体不锈钢中的Cr元素在表面形成一层很薄Cr2O3钝化膜是其耐腐蚀的关键。因为钝化膜极大地提高了钢在氧化性介质的电极电位。高温渗碳时会有铬的碳化物形成，造成基体贫铬难以形成钝化膜及生成的碳化物构成微电池，使其耐腐蚀性能大大降低。低温渗碳是在铬的碳化物形成温度下进行的，故无铬的碳化物形成。碳在低温渗碳时扩散进入奥氏体晶粒中，形成固溶体。由于奥氏体的碳溶解度在低温下极低，因此低温渗碳时形成了过饱和的固溶体，其晶格畸变较大，存在较大的内应力和致密度，提高了其硬度和耐磨性，报道称为S相。但是S相不稳定，在一定的温度下会变为面心立方结构并析出碳化物[2]。这种机理一般应用在渗碳温度在500℃以下的情况。耐腐蚀性能对渗碳温度要求更严格。随着渗碳温度（大于500℃）的升高，会有碳化物的出现。
2.目前的低温渗碳技术
主要分为低温离子渗碳、低温气体渗碳和低温盐浴渗碳。
低温离子渗碳：英国伯明翰大学的LT2PC技术为代表。方法为将工件置于真空室内，充入适当比例的气反应体，并外加电压，产生高能离子轰击金属表面渗碳。有渗碳、渗氮及碳氮共渗。处于真空中，不必进行去除钝化膜的处理。但是其设备复杂，工艺条件困难，不适合大规模应用。国内有赵程等人研究此法。按此法用碳氮共渗处理后的316奥氏体不锈钢表面硬度大900HV以上，且硬度分布平滑。此法不是本研究重点。
低温气体渗碳：在400-500℃下，放置工件与渗碳气体中，使反应出的碳原子吸附于表面，后扩散入工件形成一定厚度渗层。无碳化物形成。此法要去除表面的钝化膜后进行。其有碳势易控制、能均匀分布渗层和设备工艺简单的优点。目前有美国的Swagelok公司、荷兰的Kolsterising工艺及日本Airwater公司的Pionite工艺。
（1）美国Swagelok公司工艺：先用HCl活化表面，然后用CO、H2和N2的混合气体在470℃的标准大气压下渗碳，可得到满意的强化层。关键是控制接触的气体成分，控制温度。对该法处理后的工件进行研究，F.Eros等人发现表面含碳量由低于0.015at%增加到12at%。用XRD和SEM仪器进行检测，并将试样放于NaCl溶液测试腐蚀性可的出以下结论:表面含碳量达12～14at%；硬度由200HV25提高到1000HV25；表层有2GPa压应力存在；在NaCl溶液下的耐腐蚀性提高。工艺及测试如下图。
（2）荷兰Kolsterising工艺：为550℃气相渗碳。同样要去除钝化层，并保证渗碳过程无新钝化膜形成。经Kolsterising处理的奥氏体不锈钢，在表面强度、摩擦磨损性能、疲劳寿命、耐腐蚀性以及耐应力腐蚀开裂性能等方面均有明显的提高，其中特别值得关注的是材料表面硬度显著增加，达到1000-1200HV0.05（相当于71-74HRC），有效地改善了耐磨损性能、抗疲劳性能和耐应力腐蚀性能，而常规耐蚀性能没有下降。图5为奥氏体不锈钢经Kolsterising处理的渗层形貌，由白色过饱和碳固溶体和暗色基体组织组成。现阶段商业化的Kolsterising工艺主要有三种，分别是硬化层深度为22微米、33微米以及一种特殊的双联工艺。
图3 Kolsterising处理奥氏体不锈钢渗层结构
图4 Kolsterising处理后的奥氏体不锈钢硬化层33μm与22μm的硬度曲线
（3）日本Pionite技术：在低于500℃的温度下，用CO和H2的混合气体作为介质对材料进行渗碳。在这个过程中碳渗入材料基体，增加了材料的硬度。经15h处理的316不锈钢的表面可获得20μm厚度的渗层，硬度达到800HV；经35h处理的316不锈钢渗层厚度达到40μm，表面硬度为1000HV。经Pionite工艺处理，材料的拉伸强度和延展性较渗碳前分别有轻微的增加和下降，但316不锈钢在空气中的疲劳强度比处理前有了很大提高；在3%Nacl溶液中，未处理材料的疲劳强度与空气中相比发生了显著的下降，而处理过的材料没有下降，表现出极好的耐腐蚀性能[2]。
3.低温渗碳研究方法及其应用前景和问题
对低温渗碳的研究主要涉及渗碳工艺优化、渗碳后组织性能的研究、金相及机理的研究和计算机模拟及控制等方面。研究渗碳工艺参数的影响对工业化极为关键。目前主要通过测试元素浓度分布，力学性能测试，腐蚀性实验，显微结构观察及测量和理论模型的方法来研究低温渗碳技术。
对低温渗碳的研究的应用前景而言，既可以在更广的领域内应用奥氏体不锈钢，又可将相关理论推广，用于其他钢种和其他理论。
国内对于低温渗碳还处于发展中，对渗碳工艺研究还不成熟，此工艺的处理时间极长（最高达40h），相关应用领域也没有使用该处理钢的经验。
（四）渗碳数值模拟
指采用数值的方法对渗碳过程进行模拟与控制，可编制计算机程序。一般包括问题的提出与分析、建立数学物理模型、明确初始和边界条件、模型的数值化处理、求解和验证。主要是气体渗碳的模拟。根据渗碳原理，渗碳模型分为三个相互联系的部分：渗碳气体反应生成活性碳原子；活性原子被钢吸附在表面；活性碳原子扩散入钢内部。
图5 气体渗碳模型
Fick第二定律：
气体化学反应一般认为在钢表面与气体相近的一层很薄的层内进行，这可用化学平衡的方法描述；活性原子吸附服从质量守恒；扩散过程可由Fick第二定律描述。这时通过实验获得相关的参数及初始数据，然后将偏微分方程化为有限差分方程并编制程序，最后验证其解。关键是气体碳势的控制（与其组成和温度有关）与测量，扩散系数和传递系数的测量，渗碳温度的稳定等。通过数值模拟可以分析最佳的工艺。模拟的数据与实测数据的对比可以为进一步的研究提供依据。
实际的渗碳过程是十分复杂的。要控制各气相成分的含量，防止其他不利反应（如生成铁氧化物）发生；控制渗碳温度稳定，因为扩散系数随温度变化大；还要控制碳势等等。
参考文献
[1] 吴金金, 张良界, 潘邻等. 奥氏体不锈钢低温渗碳技术的研究现状及应用前景[J]. 热处理技术与装备.2009, 30(4):22-26.
[2] 王萌, 巩建鸣, 荣冬松. 奥氏体不锈钢低温气体渗碳工艺研究现状[J]. 压力容器. 2012,29 (6):45-49.
[3] 赵程. AISI 316奥氏体不锈钢低温PC、PN和PC PN表面处理[J]. 青岛科技大学学报. 2004, 25(4):328-331.
[4] HeuerA H, Kahn H, Ernst F, et al. Enhanced corrosion resistance of interstitiallyhardened stainless steel: Implications of a critical passive layer thicknessfor breakdown [J]. Acta Materialia. 2012, 60(2):716-725.
[5] Sun Y,Li X Y, Bell T. Low temperature plasma carburizing of austenitic stainlesssteels for improved wear and corrosion resistance [J]. Surface Engineering. 1999,15 (1): 49-54.
[6] Lo R H, Shek C H, Lai J K L. Recentdevelopments in stainless steels[J]. Material- s Science and Engineering R. 2009,65:39-104.
[7]Collins S R, Heuer A H, Sikka V K. Low temperature surface carburization ofstainless steels [R]. DE-FC36-04GO14045, 2007.
[8] Tahara M, Senbokuya H, Kitano K, et al. Method of carburizing austenitic metal [P]. US: 5593510,Jan.14, 1997.
[9]余永宁.金属学原理.北京：冶金工业出版社，2004.09.
[10]王顺心等.热处理实用模拟技术.北京：机械工业出版社，2002.05
[11]刘宗昌等.金属学与热处理.北京：化学工业出版社，2008.04
[12]王方智等.钢的渗碳.
[13]孔德谆等.化学热处理原理.
[14]韩德刚等.化学热力学.
[15]张良界，李鹏等.奥氏体不锈钢低温气体渗碳后的表面组织、硬度与耐腐蚀性能[J].机械工程材料.2014，38（3）：44-49.
[16]戚正风等.高合金钢超饱和渗碳过程及其数学模型[J].金属热处理学报.1999,20（3）：19-24.
[17]刘伟.奥氏体不锈钢低温离子渗碳表面硬化处理设备及工艺研究[J].青岛大学硕士学位论文.2009.
[18]王艳飞，巩建鸣等.不锈钢低温气体渗碳的C浓度与扩散应力测量与计算[J].金属学报.2014,50（4）：409-414.
[19]N.Agarwal, H. Kahn,et al. Enhanced fatigue resistance in 316L austenitic stainlesssteel
due to low-temperatureparaequilibrium carburization[J]. Acta Materialia.2007，55:5572-5580
[20] D. Wang, C.-W. Chen, et al. Colossal interstitialsupersaturation in delta ferrite in stainless steelsI. Low-temperaturecarburization[J]. Acta Materialia.2014，86：193-207
[21] Jun Qu, Harry M. Meyer III, et al. Low-temperature colossal carbon supersaturationenables anti-wear boundary film formation for austenitic stainless steels inoil-lubricated environment[J].Wear.2011,271:1733-1738.
[22] F. Ernst , Y. Cao, G.M. Michal. Carbides inlow-temperature-carburized stainless steels[J]. Acta Materialia.2004，52：1469-1477.
[23] 李朋，潘邻等. 奥氏体不锈钢低温气体渗碳的组织性能[J]. 中国表面工程.2013，26(2):97-101.
[24]樊新民,孙斐,黄飞. 计算渗碳碳浓度的通用程序[J]. 兵器材料科学与工程.1999，22(3):33-36
[25]刘勇,刘素芹等. 平面、圆柱面和球面的气体渗碳数学模型[J].2003,24（1）：26-29
[26]王顺兴等. 气体渗碳数学模型及物理参数的计算[J]. 材料热处理学报.2002，33(1):36-39
[27] Wei Li. Aninverstigation into the effect of stress on the formation and stability ofcarbon S-phase on austenitic stainless steel[J]. Universityof Birmingham Research Archive.
[28] 朱云峰，潘邻等. 不损害耐蚀性的奥氏体不锈钢渗碳强化技术研究进展[J].金属热处理.2012,37（7）：1-6.
[29]陆世英等.不锈钢.2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
要解决的问题：本课题为研究316l奥氏体不锈钢低温超饱和渗碳碳扩散数值模拟，建立碳扩散的数学模型，并采用数值的方法得出其数值解。然后与实验得出的碳浓度分布进行对比，验证其精度。通过模拟结果来改善渗碳工艺，提出更好的工艺方案。
研究途径：
1.基于fick第二定律，建立超饱和碳扩散预测模型，分析碳在材料中的溶解度。
