秦 志，李 斌，張 涵，薛紅前

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

目前在航空航天領(lǐng)域，金屬材料和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件面臨的最主要問題是疲勞破壞[1–3]。據(jù)統(tǒng)計，在航空飛行器發(fā)生的所有關(guān)鍵結(jié)構(gòu)失效破壞中，疲勞破壞約占80%[1，4]。因此如何提高材料的疲勞性能成為科研人員研究的焦點，而表面強化工藝作為航空制造業(yè)在實際生產(chǎn)過程中最為常用的提高材料力學(xué)性能和疲勞性能的手段，受到廣大科研工作者的關(guān)注[5–6]。

對材料進(jìn)行表面強化處理后，不僅會在材料表層引入一層有益的壓縮殘余應(yīng)力[7–10]，而且還會在材料表層產(chǎn)生一定深度的空間梯度納米顯微結(jié)構(gòu)，主要包括晶粒尺寸、孿晶尺寸和層片厚度的變化等。在實際應(yīng)用過程中，材料表面經(jīng)強化處理后，其表層微觀組織將沿深度方向呈梯度分布，即材料的結(jié)構(gòu)單元尺寸（晶粒尺寸）在空間上呈梯度變化，從納米尺度連續(xù)增加到亞微米或微米尺度[11–12]。表層微觀晶粒尺寸呈梯度連續(xù)變化可以有效避免因尺寸突變導(dǎo)致的性能突變，抑制表層納米晶粒結(jié)構(gòu)在變形過程中可能產(chǎn)生的應(yīng)變集中和早期頸縮，從而延遲表面納米晶粒結(jié)構(gòu)的變形局域化和裂紋萌生，使材料表現(xiàn)出良好的強度–塑性匹配。另外，在梯度顯微結(jié)構(gòu)中表層的納米晶粒結(jié)構(gòu)依靠其高強度延緩了疲勞裂紋的萌生，芯部的粗晶結(jié)構(gòu)則會阻礙裂紋的擴(kuò)展。由此可見，表面強化后產(chǎn)生的梯度顯微結(jié)構(gòu)對材料的疲勞性能有顯著的有益影響。

為此，科研人員針對材料表層梯度顯微結(jié)構(gòu)的制備以及其對材料力學(xué)性能的影響和強化機(jī)理開展了大量的研究[13–16]。本文分析了梯度顯微結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理和對材料力學(xué)性能的影響，指出在梯度顯微結(jié)構(gòu)研究方面存在的問題與挑戰(zhàn)，為后續(xù)優(yōu)化表面處理工藝，提高梯度顯微結(jié)構(gòu)金屬材料的力學(xué)性能提供借鑒。

1 表面強化梯度顯微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與制備工藝

在對材料表面進(jìn)行強化處理過程中通過施加外部載荷使材料表層產(chǎn)生塑性變形，塑性變形可令金屬中產(chǎn)生大量微觀結(jié)構(gòu)缺陷（如位錯、晶界、孿晶界等），隨著材料表層不斷產(chǎn)生往復(fù)、多方向的塑性變形，導(dǎo)致位錯大量增殖，晶粒內(nèi)的位錯不斷地滑移、堆積、相互作用、纏繞和空間重排等，導(dǎo)致稠密位錯墻（Dense dislocation wall，DDW）和位錯纏結(jié)（Dislocation tangle，DT），位錯墻和位錯纏結(jié)不斷發(fā)展形成低能量的位錯胞結(jié)構(gòu)，最終逐漸將粗大的原始粗晶粒分割成多個細(xì)小亞晶。

基于上述材料塑性變形導(dǎo)致晶粒細(xì)化的原理，在過去的20 年里發(fā)展了幾種成熟的表面塑性變形技術(shù)，可以實現(xiàn)金屬表面層的晶粒細(xì)化，由于變形量、變形速率和變形梯度由表及里呈梯度變化，從而在材料表層形成梯度顯微結(jié)構(gòu)，圖1 為在鈦合金表層形成的梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)層[17]。在大塊金屬材料的表面層中產(chǎn)生梯度納米結(jié)構(gòu)的表面機(jī)械處理方法主要分為以下幾種：表面機(jī)械研磨處理（Surface mechanical attrition treatment，SMAT）[18]、表 面機(jī)械碾磨處理（Surface mechanical grinding treatment，SMGT）[19]、表面機(jī)械滾壓處理（Surface mechanical rolling treatment，SMRT）[20]、激光噴丸（Laser shock peening，LSP）[21]、累積 疊 軋（Accumulative roll bonding，ARB）[22]，如圖2 所示。表1 總結(jié)了用于制造梯度顯微結(jié)構(gòu)金屬和合金的各種塑性變形方法與工藝的工藝參數(shù)、梯度厚度和樣品類型。

表1 制備梯度顯微結(jié)構(gòu)塑性變形方法比較Table 1 Comparison of plastic deformation methods for preparing gradient microstructures

圖1 Ti6Al4V 鈦合金表面強化處理形成的梯度納米結(jié)構(gòu)晶粒[17]Fig.1 Gradient nanostructured grains formed by surface strengthening treatment of Ti6Al4V titanium alloy[17]

圖2 制備梯度顯微結(jié)構(gòu)工藝Fig.2 Preparation of gradient microstructure processes

SMAT 是一種在傳統(tǒng)噴丸技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的表面納米結(jié)晶工藝，通過超聲振動激勵彈丸介質(zhì)，隨機(jī)撞擊材料表面，如圖2（a）所示[18]。Wu等[23]利用SMAT 工藝在316L 不銹鋼表面制備一層約10 μm 厚的梯度納米晶粒層，研究納米晶不銹鋼熱穩(wěn)定 性。Novelli 等[24]利 用SMAT 工藝分別在常溫和低溫環(huán)境下對304L不銹鋼表面進(jìn)行處理，研究結(jié)果顯示在低溫環(huán)境下梯度納米結(jié)構(gòu)層的厚度最大可達(dá)250 μm。目前，SMAT工藝主要用于對純金屬、合金以及鋼材料的表面處理，受材料形狀限制較少，且目前已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，但是同時也發(fā)現(xiàn)SMAT 工藝處理后的材料表面粗糙度較高。

SMGT 工作原理為通過外力將硬質(zhì)球形壓頭（WC/Co 等材質(zhì)）壓入材料表面，并使壓頭與材料發(fā)生相對位移，利用壓頭與材料之間產(chǎn)生的摩擦力使材料表層發(fā)生塑性變形，表層應(yīng)變量及應(yīng)變速率隨深度增大呈梯度減小，累積應(yīng)變量隨碾磨次數(shù)增多及預(yù)壓入深度增大而增大，實現(xiàn)材料表層梯度納米化，如圖2（b）所示[18]。如Han 等[25]利用SMGT 工藝在純銅表面制備了一層厚度約為80 μm，晶粒尺寸范圍從～80 nm 到幾μm 的梯度納米晶粒層。相較于SMAT 工藝，其優(yōu)點是在保證制備相當(dāng)厚度的梯度納米顯微結(jié)構(gòu)層的同時降低了材料的表面粗糙度。

SMRT 的工作原理與表面機(jī)械碾磨處理工作原理類似，只是將SMGT 中的不可滾動的硬質(zhì)球形壓頭換為可以滾動的球形壓頭，使壓頭在材料表面滾動，利用壓頭滾動在材料表層產(chǎn)生塑性變形，如圖2（c）所示[18]。Carneiro 等[26]采用SMRT工藝在316L 不銹鋼表面制備一層厚度為500 μm，晶粒尺寸范圍為30～300 nm 的梯度納米晶粒層，結(jié)果顯示SMRT 工藝明顯提高了材料的疲勞性能。與SMGT 工藝相比，SMRT 工藝制備的梯度顯微結(jié)構(gòu)層擁有更厚的厚度和更低的粗糙度。

LSP 處理是一種用于處理各種金屬構(gòu)件表面的表面強化技術(shù)[27–28]。其原理是利用高能、超短持續(xù)時間（～10～30 ns）的激光脈沖在材料表面產(chǎn)生壓縮沖擊波。沖擊波攜帶數(shù)十GPa 量級的應(yīng)力，在超高應(yīng)變速率（～106s–1）[29]下產(chǎn)生巨大的塑性變形。經(jīng)過多次沖擊后，處理表面的初始粗晶粒經(jīng)過大塑性變形分解為許多細(xì)小晶粒。激光誘導(dǎo)的激波隨深度衰減，形成了一個具有梯度顯微結(jié)構(gòu)的表層，如圖2（d）所示。一般來說，晶粒的大小從幾十nm（表面層的幾μm）增大到數(shù)百nm（內(nèi)部）。有時，由于超高的壓應(yīng)力，在頂部表面會形成厚度為～10 nm 的非晶層[18]。

ARB 處理是在兩層或多層材料之間形成強界面結(jié)合的常用技術(shù)。在過去的5 年里，ARB 被用于制造各種梯度納米層合金屬和合金[30–32]。在這個過程中，金屬樣品被兩個旋轉(zhuǎn)的軋輥碾磨和壓縮，如圖2（e）所示。在每個軋制周期中，試樣厚度減小，同時附加剪切變形誘導(dǎo)晶粒細(xì)化，甚至形成梯度顯微結(jié)構(gòu)，這與SMRT相似。隨著滾動次數(shù)的增加，晶粒變細(xì)，梯度層變厚。軋制后的試樣在高溫下退火，實現(xiàn)局部再結(jié)晶。與SMAT、SMGT 和SMRT 相比，ARB更適合于大型板狀材料的加工和工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。

2 梯度顯微組織結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能的影響

2.1 強度–塑性匹配

一般認(rèn)為對于常規(guī)的金屬和合金材料，當(dāng)其強度高時，塑性往往會很差，當(dāng)其塑性很好時，強度反而不高，即所謂的強度和韌塑性不可兼得。目前，金屬材料的這種強度–塑性“倒置”關(guān)系逐漸成為制約材料進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。而梯度納米結(jié)構(gòu)金屬的出現(xiàn)為解決這一問題提供了一種新的途徑，這主要歸因于梯度納米結(jié)構(gòu)的獨特變形機(jī)制。由式（1）Hall–Petch 關(guān)系可知，減小晶粒尺寸可以有效提高材料的屈服強度。由于材料的非均勻變形行為，材料的微觀結(jié)構(gòu)差異改變了宏觀力學(xué)性能，梯度顯微結(jié)構(gòu)中納米晶區(qū)高強度與粗晶區(qū)高塑性的協(xié)同作用促進(jìn)了金屬材料的高強度和高塑性。在拉伸過程中，梯度顯微結(jié)構(gòu)材料表面的納米細(xì)晶粒為材料提供了主要的強度，而基體中的粗晶則為材料提供了主要的塑性，梯度顯微結(jié)構(gòu)組織在拉伸過程中可有效抑制表層納米晶粒結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的應(yīng)變集中和早期頸縮，從而延遲了表面納米晶粒結(jié)構(gòu)的變形局域化和裂紋萌生，這就使得梯度納米結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)出良好的強度和塑性匹配，如圖3 所示[33]。

圖3 梯度納米結(jié)構(gòu)材料的強度–塑性匹配關(guān)系[33]Fig.3 Strength-plasticity matching relationships in gradient nanostructured materials[33]

式中，σ為材料屈服強度；σ0為移動單個位錯時產(chǎn)生的晶格阻力；ky為材料常數(shù)；d為晶粒尺寸。

段寶華[34]和何東[35]等分別利用SMRT 和SMGT 技術(shù)在純銅表面制備出梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)，拉伸試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過表面強化處理之后，具有梯度顯微結(jié)構(gòu)晶粒純銅的屈服強度比粗晶銅均有大幅提高，同時塑性損失很小。Lu 等[36]利用高能噴丸工藝成功地在CrCoNi中熵合金（MEA）中引入了梯度納米晶結(jié)構(gòu)，即晶粒尺寸從表層的納米級（～50 nm）到中間層的微米級（～1.3 μm），拉伸試驗結(jié)果顯示，這種梯度納米晶結(jié)構(gòu)CrCoNi 中熵合金顯示出優(yōu)異的強度和延展性匹配性能，分別擁有高屈服強度（約1215 MPa）和極限抗拉強度（約1524 MPa），同時保持約23%的良好延展性，如圖4（a）所示。Lei 等[37]采用SMRT工藝在316L 不銹鋼表面制備了一層平均粒徑約為40 nm 的梯度晶粒結(jié)構(gòu)層，力學(xué)性能試驗結(jié)果顯示經(jīng)過SMRT 處理后316L 不銹鋼的屈服強度為370 MPa，遠(yuǎn)高于原始粗晶材料的210 MPa，提高了約76%，同時具有梯度晶粒結(jié)構(gòu)層的材料的延伸率仍為粗晶材料的84%，顯示出了良好的強度–塑性匹配，如圖4（b）所示。謝小龍等[38]利用超音速微粒轟擊工藝在低碳結(jié)構(gòu)鋼表面制備一層梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)層，通過單軸拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過中間淬火和超音速微粒轟擊組合處理后具有梯度納米結(jié)構(gòu)材料的抗拉強度得到提高，最高可達(dá)820.02 MPa，同時塑韌性損失較小，延伸率仍然可以達(dá)到14.7%，最終使得材料的綜合力學(xué)性能得到提高。夏雙五等[39]在不同熱處理后的AZ31 鎂合金表面通過SMAT 制備一層梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過SMAT 處理3 min 之后，AZ31 鎂合金的屈服強度由185.5 MPa 提高到277 MPa，提高了約49.3%，與此同時延伸率僅從17%降到9%，體現(xiàn)了梯度納米結(jié)構(gòu)晶粒鎂合金良好的強度–塑性匹配。陳正閣等[40]采用LSP 技術(shù)對片層組織的TC11 鈦合金進(jìn)行表面強化處理，對強化后的TC11 鈦合金測試其力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)相較于未處理試樣，強化處理后的材料的屈服強度和抗拉強度均有提高，分別提高了19.4%和18.3%，而延伸率僅下降了8.9%，這主要是由于在單向拉伸過程中，材料表層的梯度納米結(jié)構(gòu)晶粒抑制了納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中和早期頸縮，進(jìn)而防止變形局域化和裂紋過早萌生，同時芯部粗晶組織提供了良好的拉伸應(yīng)變和加工硬化能力，最終使處理后的TC11 鈦合金獲得良好的強度–塑性匹配。但科研人員在研究過程中也發(fā)現(xiàn)并不是所有具有梯度顯微結(jié)構(gòu)材料符合強度–塑性匹配這一特性，如Shi 等[41]對Mg–Gd合金表面采用SMAT 進(jìn)行強化處理，試驗結(jié)果顯示處理后材料的屈服強度得到了明顯提高，但同時也發(fā)現(xiàn)處理后材料延伸率急劇下降，這主要是由于位錯累積和相互作用產(chǎn)生的應(yīng)變硬化導(dǎo)致的。

圖4 原始粗晶材料與梯度顯微結(jié)構(gòu)金屬應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig.4 Stress–strain curves for coarse crystalline material and gradient microstructure metals

2.2 加工硬化性能

金屬材料的加工硬化（也稱為應(yīng)變硬化）是通過加工硬化速率來量化的。研究發(fā)現(xiàn)，梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)金屬在單向拉伸過程中表現(xiàn)出了傳統(tǒng)均勻晶粒金屬所不具備的額外的加工硬化行為[42]，導(dǎo)致這種行為產(chǎn)生的主要原因為梯度顯微結(jié)構(gòu)具有彈性均質(zhì)性和塑性非均質(zhì)性導(dǎo)致宏觀應(yīng)變梯度。由于變形的不協(xié)調(diào)，應(yīng)變梯度將單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為多軸應(yīng)力，使粗晶區(qū)的應(yīng)變局部化和加工硬化成為可能。因此，特殊的應(yīng)力分布可能會增強位錯的形核和擴(kuò)展，誘發(fā)額外應(yīng)變硬化。具體來說，梯度晶粒金屬在單軸拉伸變形過程中有3 個變形階段。在第1 階段，梯度顯微結(jié)構(gòu)材料發(fā)生彈性變形。在第2 階段，粗晶結(jié)構(gòu)區(qū)開始塑性變形，而納米晶表面層仍保持彈性變形。這種不兼容性將單軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為雙軸應(yīng)力。此外，隨著外加應(yīng)變的增加，存在兩個彈塑性界面并向表面移動。應(yīng)力和應(yīng)變梯度的出現(xiàn)，有利于強化和背應(yīng)力的協(xié)同作用，從而提高屈服強度。在第3 階段，粗晶層和納米晶層均發(fā)生塑性變形。不穩(wěn)定的頸縮首先發(fā)生在納米粒層中。然而，收縮受到穩(wěn)定的粗晶層的約束。在縮頸層和中心穩(wěn)定層的界面附近出現(xiàn)了陡峭的應(yīng)變梯度，通過幾何必須位錯和背應(yīng)力的累積，提高了應(yīng)變硬化能力。此外，頸縮/穩(wěn)定界面從表面向中心層遷移，伴隨高密度位錯的積累，提高了應(yīng)變硬化速率，從而提高了梯度顯微結(jié)構(gòu)材料的延性。

Lin 等[43]通過精確控制晶粒尺寸制備出不同梯度范圍純鎳樣品，研究不同梯度范圍晶粒對力學(xué)性能的影響，如圖5（a）所示，隨著應(yīng)變的增加，梯度納米結(jié)構(gòu)純鎳試樣相較于粗晶試樣和納米晶樣品，初期的加工硬化速率更好，且后期衰減速度更慢。Cheng 等[44]研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，即具有雙梯度的梯度顯微結(jié)構(gòu)納米晶銅的加工硬化速率高于無梯度顯微結(jié)構(gòu)銅，特別是當(dāng)應(yīng)變高于2%以后，這種區(qū)別更為明顯，如圖5（b）所示。Wu 等[42]在研究梯度納米結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能時同樣發(fā)現(xiàn)在小拉伸應(yīng)變～1.5%時出現(xiàn)非單調(diào)和瞬態(tài)硬化行為，如圖5（c）所示。Shao 等[45]在Fe–Mn–C TWIP 鋼 中引入線性梯度晶粒尺寸，試驗結(jié)果顯示梯度納米顯微結(jié)構(gòu)材料的加工硬化速率要優(yōu)于原始粗晶材料，而且在整個塑性變形過程中梯度納米顯微結(jié)構(gòu)材料的加工硬化速率沒有明顯下降。Zhou 等[46]研究了梯度納米晶銅在300 K 和77 K 下的拉伸性能和應(yīng)變硬化行為，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與原始粗晶銅相比，梯度納米晶銅在77 K 拉伸時表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膽?yīng)變硬化行為，屈服強度和抗拉強度明顯提高。梯度納米晶試樣的應(yīng)變硬化行為是由低溫拉伸抑制納米晶粗化和激發(fā)納米孿晶引起的。但同時也發(fā)現(xiàn)當(dāng)梯度納米晶銅在300 K 拉伸時隨著應(yīng)變率的增加，梯度納米晶銅的應(yīng)變硬化行為與粗晶銅相比退化明顯，這可能是由于表層納米晶粒的軟化作用引起的。

圖5 梯度納米結(jié)構(gòu)與均質(zhì)金屬和合金加工硬化率隨真應(yīng)變的變化Fig.5 Work-hardening rates of gradient nanostructured alloys and homogeneous metals and alloys vs. true strain

2.3 摩擦、磨損性能

金屬材料在干滑動和磨損時，通常會在表面或表面附近發(fā)生損傷，在實際應(yīng)用中，由于滑動引起的較大的塑性變形會大大縮短材料的使用壽命。因此，提高金屬材料的減摩抗磨性能至關(guān)重要。由于納米結(jié)構(gòu)金屬的耐磨性能強于粗晶材料，所以通過在材料表面構(gòu)筑梯度納米結(jié)構(gòu)來提高其耐磨性是可行的。Zhang 等[47]采用SMAT 方法在純銅表面制備一層梯度納米結(jié)構(gòu)，研究了其在室溫條件下滑動及微動摩擦磨損性能，結(jié)果顯示具備梯度納米結(jié)構(gòu)的純銅表層摩擦磨損性能明顯優(yōu)于粗晶純銅，如圖6 所示。Amanov 等[48]利用SMRT 技術(shù)在316L 不銹鋼表面制備梯度納米結(jié)構(gòu)，研究其在腐蝕環(huán)境下的摩擦性能，結(jié)果顯示在腐蝕環(huán)境下梯度納米結(jié)構(gòu)材料的抗摩擦性能更為出色。沈明學(xué)等[49]為了提高316L 不銹鋼材料的強度和摩擦性能，采用超聲納米晶表面改性（UNSM）工藝在材料表面制備一層200 μm 的梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果顯示，與未處理試樣相比，經(jīng)過UNSM 試樣的摩擦因數(shù)和耐磨性均有顯著提高。但是也應(yīng)該注意，梯度納米結(jié)構(gòu)并不總是提高材料的抗摩擦磨損性能，如袁俊瑞等[50]利用新設(shè)計的一種新型高效的平面滾壓方法來制備梯度納米結(jié)構(gòu)材料并對其磨損行為進(jìn)行研究，結(jié)果顯示在干摩擦條件下，低載時抗摩擦能力和抗黏著能力較好，但在高載時梯度納米結(jié)構(gòu)材料的摩擦性能反而降低，這主要是由于高載導(dǎo)致表面的納米結(jié)構(gòu)晶粒發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，發(fā)生局部微斷裂以及隨后的三體磨損最終導(dǎo)致了摩擦性能的降低。

圖6 梯度納米結(jié)構(gòu)純銅與粗晶純銅材料摩擦磨損性能對比[47]Fig.6 Frictional wear performance of gradient nanostructured pure copper compared to coarse crystalline pure copper materials[47]

2.4 疲勞性能

在大多數(shù)情況下，疲勞裂紋在循環(huán)載荷作用下萌生于材料表面并逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，因此通過強化材料的表面狀態(tài)可以有效延緩疲勞裂紋的萌生和降低裂紋擴(kuò)展速率。梯度納米結(jié)構(gòu)中的表層納米晶粒具有較高的強度和硬度，因此可以有效延緩裂紋萌生，另外梯度納米結(jié)構(gòu)中的原始粗晶粒又具有良好的塑性，因此可以降低裂紋擴(kuò)展速率，所以具有梯度納米結(jié)構(gòu)金屬材料擁有良好的低、高周疲勞性能。

2.4.1 低周疲勞

航空飛行器中的某些關(guān)鍵部件（如渦輪葉片、起落架、渦輪軸等）在服役過程中容易發(fā)生低周疲勞破壞?？蒲腥藛T研究發(fā)現(xiàn)在材料表層制備一層梯度納米結(jié)構(gòu)可有效提高材料的低周疲勞性能，如Zhou 等[51]使用SMAT 工藝處理316L 不銹鋼表面并分析其對低周疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)SMAT 主要在低周疲勞循環(huán)早期產(chǎn)生影響，在低、中應(yīng)變幅（0.5%、0.8%）下，經(jīng)過處理的試樣較未處理低周疲勞性能得到提高。Pandey 等[52]利用超聲噴丸工藝對7075 鋁合金進(jìn)行表面強化處理，在表面得到一層梯度納米結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示處理后的試樣的低周疲勞壽命得到明顯提高，當(dāng)噴丸時間為180 s 時，超聲噴丸處理過的試樣與未處理試樣相比，疲勞壽命提高了220%。但是同時也發(fā)現(xiàn)如果噴丸強化時間過長，反而會降低試樣的疲勞壽命，這主要是由于： （1）當(dāng)噴丸時間達(dá)到一定程度時，引入材料表層的壓縮殘余應(yīng)力逐漸達(dá)到飽和，噴丸時間的延長對提高材料表層壓縮殘余應(yīng)力效果有限； （2）過長的噴丸時間會導(dǎo)致材料表面粗糙度提高和發(fā)生損傷，甚至?xí)诓牧媳砻娈a(chǎn)生微裂紋，如圖7（a）所示[52]。Chen 等[53]在AZ31B鎂合金表面利用SMAT 工藝制備一層梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)，在應(yīng)變控制模式下，研究了應(yīng)變速率和彈丸尺寸對SMAT 試樣低周疲勞行為的影響，發(fā)現(xiàn)在相同的應(yīng)變率下，與原始粗晶試樣相比SMAT 試樣的疲勞壽命顯著提高，這主要是由于殘余壓應(yīng)力和梯度顯微結(jié)構(gòu)層抑制裂紋萌生的共同作用。同時發(fā)現(xiàn)，SMAT 和原始粗晶試樣的疲勞壽命隨著應(yīng)變速率的增加而增加，這是因為高應(yīng)變速率有利于孿晶活動，抑制位錯滑移，從而提高了疲勞裂紋的抗裂性，延長了疲勞壽命，如圖7（b）所示[53]。

圖7 梯度納米結(jié)構(gòu)材料低周疲勞性能測試結(jié)果Fig.7 Low cycle fatigue performance test results for gradient nanostructured materials

上述研究結(jié)果均顯示具有梯度納米結(jié)構(gòu)材料擁有良好的低周疲勞性能，這主要是由于材料表面的梯度納米結(jié)構(gòu)提供了更高的強度和硬度，同時在制備梯度納米結(jié)構(gòu)過程中，在材料表面引入了對提高疲勞性能有益的壓縮殘余應(yīng)力，在保證表面完整性條件下，壓縮殘余應(yīng)力延緩了裂紋的萌生并平衡了部分外部疲勞載荷，這兩方面的共同作用使梯度納米結(jié)構(gòu)材料擁有良好的低周疲勞性能。在保證表面完整性條件下，增加表面處理強度與處理時間，進(jìn)而提高表面梯度顯微結(jié)構(gòu)層的厚度和表面壓縮殘余應(yīng)力，都會提高材料的低周疲勞性能。但少數(shù)研究顯示，在低周疲勞試驗中，大振幅循環(huán)應(yīng)變可能會導(dǎo)致整體試樣的組織恢復(fù)、晶粒粗化或組織均勻化，從而導(dǎo)致梯度納米晶層中壓縮殘余應(yīng)力的快速釋放[54–55]。在這種情況下，壓縮殘余應(yīng)力對提高梯度納米晶金屬低周疲勞壽命的影響可以忽略不計，這從另一個角度也能間接說明材料的低周疲勞性能的提升主要來源于強化后的表層梯度顯微結(jié)構(gòu)。然而，殘余應(yīng)力對低周梯度納米晶金屬和合金組織演變，以及循環(huán)性能的影響尚不完全清楚，需要進(jìn)一步研究。

2.4.2 高周疲勞

與低周疲勞一樣，梯度納米結(jié)構(gòu)金屬也同樣具有良好的高周疲勞性能。吳宇坤等[56]利用SMRT 工藝在鈦管上制備了一層梯度納米結(jié)構(gòu)，研究了其拉–扭雙軸疲勞性能，結(jié)果顯示SMRT 處理可以有效提高鈦管的高周疲勞性能，梯度納米結(jié)構(gòu)純鈦與原始粗晶鈦相比疲勞強度提高了約10%，疲勞壽命最大提高了約300%，這是由于梯度顯微結(jié)構(gòu)中的納米晶在疲勞循環(huán)過程中發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)晶粒長大，提高了裂紋萌生抗力，如圖8（a）所示[56]。Liu 等[57]研究了梯度納米結(jié)構(gòu)7075–T651 鋁合金的疲勞性能，研究結(jié)果顯示梯度納米結(jié)構(gòu)對低、高周疲勞都有提高，當(dāng)疲勞壽命大于105時，具有梯度納米結(jié)構(gòu)鋁合金疲勞強度相較于未處理試樣提高約20%，疲勞強度的提高主要來源于梯度顯微結(jié)構(gòu)層的強化作用，如圖8（b）所示[57]。Yasuoka 等[58]利用超聲納米晶表面改性（UNSM）技術(shù)在304 不銹鋼表面制備了厚度為30～200 μm 的梯度納米結(jié)構(gòu)層，疲勞試驗顯示經(jīng)過處理后的材料的疲勞強度得到了明顯提高，分析發(fā)現(xiàn)表面硬化層是提高疲勞強度的主要原因。

圖8 梯度納米結(jié)構(gòu)材料高周疲勞性能測試結(jié)果Fig.8 Results of high cycle fatigue performance tests on gradient nanostructured materials

從以上研究結(jié)果可以歸納出梯度納米結(jié)構(gòu)提高材料疲勞性能主要通過以下3 條途徑： （1）梯度顯微結(jié)構(gòu)中的納米晶表層為材料提供了額外的高強度和高硬度，有利于抑制疲勞裂紋的萌生并降低了循環(huán)加載過程中材料的應(yīng)變局域化，結(jié)構(gòu)梯度可以顯著改變裂紋尖端附近的應(yīng)力分布和塑性區(qū)大??； （2）制備梯度納米結(jié)構(gòu)過程中引入的壓縮殘余應(yīng)力促進(jìn)了裂紋的閉合，有效減緩了裂紋擴(kuò)展，平衡了部分循環(huán)疲勞外載荷；（3）材料中的梯度納米結(jié)構(gòu)使材料組織均勻化，降低了晶粒間的應(yīng)力集中，阻礙了疲勞裂紋的萌生。

3 結(jié)論

經(jīng)表面強化后具有梯度顯微結(jié)構(gòu)金屬與常規(guī)金屬相比，其通常擁有優(yōu)異的力學(xué)性能，明顯提高了材料的綜合性能，這些力學(xué)性能的提高主要來源于梯度顯微組織，其中激活了一系列非均勻塑性變形機(jī)制，涉及多種變形特征和機(jī)制，包括顯著的應(yīng)變梯度、新型位錯活動和機(jī)械驅(qū)動晶粒粗化。目前盡管在梯度顯微結(jié)構(gòu)金屬和合金的制備、力學(xué)性能研究方面取得了一些進(jìn)展，但仍有許多關(guān)鍵問題需要解決，例如對某些條件下梯度顯微結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能與常規(guī)金屬相比反而出現(xiàn)下降現(xiàn)象，對此科研人員有不同解釋，因此對于梯度顯微結(jié)構(gòu)金屬還需深入研究。在梯度納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化方面目前在很大程度上是依據(jù)經(jīng)驗的，實現(xiàn)梯度顯微結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控是制備加工技術(shù)面臨的主要難題，因此未來迫切需要發(fā)展理論和計算模型框架，以量化微觀結(jié)構(gòu)梯度（如結(jié)構(gòu)梯度的程度和分布，以及構(gòu)建的尺寸和方向的變化）與梯度顯微結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能之間的相關(guān)性。另外，目前對于梯度顯微組織金屬疲勞性能的研究大多集中于低、高周范圍內(nèi)，對于超高周疲勞范圍內(nèi)的疲勞研究相對較少，且超高周疲勞失效機(jī)理不同于低、高周疲勞，因此未來對具有梯度顯微組織結(jié)構(gòu)金屬的超高周疲勞失效機(jī)理需要進(jìn)一步揭示，其次殘余應(yīng)力對梯度顯微結(jié)構(gòu)材料的疲勞性能的影響目前在學(xué)術(shù)界還未有統(tǒng)一認(rèn)識，仍有待澄清。