金属表面纳米化
表面自纳米化
表面自纳米化摘要：一、表面自纳米化简介1.概念解释2.表面自纳米化的方法二、表面自纳米化的优势1.提高材料性能2.增加材料表面积3.改善材料表面黏附性三、表面自纳米化在实际应用中的案例1.金属材料的表面自纳米化2.陶瓷材料的表面自纳米化3.聚合物材料的表面自纳米化四、表面自纳米化的前景与挑战1.技术发展前景2.目前面临的挑战正文：表面自纳米化是一种通过表面处理技术，使材料表面形成纳米级结构的过程。
在这个过程中，材料的表面通过特殊的处理方法，如化学刻蚀、物理磨损等，形成具有高度有序的纳米级结构。
这种结构不仅可以提高材料的性能，还可以增加材料的表面积，改善材料表面的黏附性，因此在材料科学和工程领域具有广泛的应用。
表面自纳米化的方法主要包括化学刻蚀法、物理磨损法、电化学法等。
其中，化学刻蚀法是通过化学反应将材料表面逐渐蚀刻成纳米结构；物理磨损法是通过机械磨损或溅射等方法使材料表面形成纳米级结构；电化学法则是在电化学过程中使材料表面发生形变，形成纳米级结构。
表面自纳米化技术可以显著提高材料的性能。
例如，金属材料的硬度、耐磨性、抗疲劳性等性能可以得到显著提高；陶瓷材料的抗磨损、抗腐蚀性能也会得到很大的提升；聚合物材料的黏附性、抗氧化性等方面也会得到改善。
在实际应用中，表面自纳米化技术已经成功应用于金属、陶瓷、聚合物等多种材料。
例如，对金属材料的表面自纳米化处理可以提高其抗磨损性能，增加其使用寿命；对陶瓷材料进行表面自纳米化处理，可以提高其抗磨损、抗腐蚀性能，扩大其应用领域；对聚合物材料进行表面自纳米化处理，可以改善其黏附性，提高其与其它材料的结合性能。
然而，表面自纳米化技术目前还面临一些挑战，如处理过程中对环境的影响、纳米结构的稳定性、处理效果的可控性等。
316L不锈钢表面纳米化组织与性能研究
果表明：冷轧处理后，粗糙度由婶３．５９ｍ，盼１５岬，降低为盼１．１ｐｍ，Ｒ刀岬；晶
粒尺寸进一步减小，由高速旋转丝变形后的约１２ｒｉｍ减小到约９ｒａｎ；材料基体的硬度急 剧增大，达到原基体的两倍，而塑性大幅下降，断后伸长率由９５％降低到５２％。 对轧制后的样品进行不同温度的真空退火处理，以寻找一个合适的温度区间，在消 除形变强化的基础上，保持纳米晶的稳定性。结果表明：在７７３Ｋ以下，晶粒尺寸增加 的幅度不大，可以认为表面纳米晶可以在７７３Ｋ以下稳定存在，当退火温度达到９７３Ｋ 时，晶粒尺寸由９ｒｉｍ增大到４０ｎｍ，发生显著长大；退火处理后，残余应力释放，诱发 马氏体相变，且随着处理温度的增加，马氏体量越来越多；７７３Ｋ退火１ｈ，表层显微硬 度约４００ＨＶ，基体硬度基本回复到轧制处理前的硬度。
的系统工程，可以使材料表面获得它本身没有而又希望具有的特殊性能［２１。
金属材料的表面纳米化，即在传统金属材料表面制备出一定厚度的具有纳米结构的 表面层，利用纳米金属材料的优异性能对传统金属材料进行表面结构优化，是一种提高 工程材料的综合性能并延长服役寿命的有效方法【３ｌ。表面纳米化技术可以用多种方法制 备出优于基体性能的表面纳米薄层，赋予零件耐磨损、高强度、耐腐蚀、耐疲劳和高硬 度等性能，使承担着工件重要功能的表层具有纳米材料的优异特性【４】 自１９９９年中国的卢柯与华裔学者吕坚联合提出结构材料表面纳米化的概念【５ｌ后，该
ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｒａｐｉｄｌｙ，ｒｅａｃｈｉｎｇ ｔｗｉｃｅ ａｓ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓａｍｐｌｅ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ． Ａｎｎｅａｌｌｅｄ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｓａｍｐｌｅｓ
中国金属材料表面纳米化技术取得突破性进展
表 面 工 程 资 讯
・科 技 进 展
’()* 由中国科学院和中国工程院 28+ 名院士投票评选的“+55, 年中国十大科技进展新闻”日
前在京揭晓， 与表面工程相关的“中国金属材料表面纳米化技术取得突破性进展”名列第四。中国工 程院院长徐匡迪院士对此评点： 尽管我们国家现在还处在工业化建设阶段， 但在某些领域的研究上也 做了一些别人没有做的事情， 取得了重要的突破。 如在金属材料表面纳米化技术研究方面， 在 ,553!的 温度环境中成功地实现了纯铁块表面氮化，突破了长期以来金属材料表面氮化应用中的技术 “瓶 颈” ， 这一研究充分展示出了用高新技术改造传统产业的广阔前景， 纳米技术将对未得突破性进展
表面氮化是工业中一种广泛应用的材料表面处 理技术，在表面氮化过程中材料或部件的表面形成 一层硬质氮化物以提高表面使役行为， 如耐磨性、 耐 蚀性等。钢铁的表面氮化处理往往需要在高温下 1高 于 2003!4进行， 处理时间较长 1长达数十小时 4， 不仅 耗能，更重要的是许多材料和工件在如此高温下长 时间退火后会丧失其基体性能或出现变形，因此表 面氮化技术的应用受到很大限制。大幅度降低氮化 温度是长期以来表面氮化技术应用中所必须解决的 重要技术 “瓶颈” 。 由中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家 1联 合 4实验室卢柯博士领导的研究组利用金属材料的表 面纳米化技术在解决这一重大技术难题上取得突破 性进展， 并在 《科学》 杂志上发表了此项研究成果。 表面纳米化技术是对金属材料表面进行机械变 形处理，通过严重塑性变形使其表面层组织细化至 纳米量级， 即在块体金属表面获得一层 1通常几十微 米厚 4纳米晶组织。这种由金属研究所和法国合作者 吕坚教授共同提出的新技术在多种金属和工程合金 中得以应用。此技术不仅可以大幅度提高块体材料 的表面性能 1如表面强硬度、 耐磨性、 抗疲劳性能等 4， 而且表面层的纳米组织可以显著提高其化学反应活 性， 使表面化学处理温度下降。他们对纯铁进行表面 纳米化处理，在几十微米厚的表面层中获得纳米晶 组织。然后利用常规气体氮化处理在 ,553!保温 637 后成功地实现了表面氮化，获得 "5! " 厚的氮化物 层，而未经处理的纯铁在同样条件下几乎无氮化物 形成。性能测试结果表明， 在 ,553!下形成的表面氮 化层具有很高的硬度、 耐磨性和耐腐蚀性。这一结果 证明铁的表面氮化温度可以利用表面纳米化技术而 大幅度下降， 从而使表面氮化技术的适用面 1材料和 工件种类4大大拓宽。同时也说明通过表面纳米化技 术可以实现材料表面结构选择性化学反应。这一成 果再次显示纳米技术对传统产业技术的升级改造具 有重要的推动作用。 （中国科学院金属研究所）
金属材料表面纳米化研究与进展
表面技术第53卷第4期金属材料表面纳米化研究与进展杨庆，徐文文，周伟，刘璐华，赖朝彬*（江西理工大学 材料冶金化学学部，江西 赣州 341000）摘要：大多数金属材料的失效都是从其表面开始的，进而影响整个材料的整体性能。
研究表明，在金属材料表面制备纳米晶，实现表面纳米化，可以提升材料的表面性能，延长其使用寿命。
金属材料表面纳米化是指利用反复剧烈塑性变形让表层粗晶粒逐步得到细化，材料中形成晶粒沿厚度方向呈梯度变化的纳米结构层，分别为表面无织构纳米晶层、亚微米细晶层、粗晶变形层和基体层，这种独特的梯度纳米结构对金属材料表面性能的大幅度提升效果显著。
根据国内外表面纳米化的研究成果，首先对表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合纳米化3种金属表面纳米化方法进行了简要概述，阐述了各自优缺点，总结了表面自纳米化技术的优势，在此基础上重点分析了位错和孪晶在金属材料表面自纳米化过程中所起的关键作用，提出了金属材料表面自纳米化机制与材料结构、层错能大小有着密不可分的联系，对金属材料表面自纳米化机制的研究现状进行了归纳；阐明了表面纳米化技术在金属材料性能提升上的巨大优势，主要包括对硬度、强度、腐蚀、耐磨、疲劳等性能的改善。
最后总结了现有表面强化工艺需要克服的关键技术，对未来的研究工作进行了展望，并提出将表面纳米化技术与电镀、气相沉积、粘涂、喷涂、化学热处理等现有的一些表面处理技术相结合，取代高成本的制造技术，制备出价格低廉、性能更加优异的复相表层。
关键词：金属材料；表面纳米化；梯度纳米结构；纳米化机理；表面性能中图分类号：TG178 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)04-0020-14DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.04.002Research and Progress on Surface Nanocrystallizationof Metallic MaterialsYANG Qing, XU Wenwen, ZHOU Wei, LIU Luhua, LAI Chaobin*(Department of Materials Metallurgy and Chemistry, Jiangxi University ofTechnology, Jiangxi Ganzhou 341000, China)ABSTRACT: It is well known that the failure of most metallic materials starts from their surfaces, which in turn affects the overall performance of the whole material. Numerous studies have shown that the preparation of nanocrystals on the surface of metallic materials, i.e., surface nanosizing, can enhance the surface properties of materials and extend their service life. Surface nanosizing of metallic materials makes use of repeated violent plastic deformation to make the surface coarse grains gradually收稿日期：2023-02-23；修订日期：2023-06-29Received：2023-02-23；Revised：2023-06-29基金项目：国家自然科学基金项目（52174316，51974139）；国家重点研发计划项目（2022YFC2905200，2022YFC2905205）；江西省自然科学基金项目（20212ACB204008）Fund：National Natural Science Foundation of China(52174316, 51974139); National Key Research and Development Program of China (2022YFC2905200, 2022YFC2905205); Natural Science Foundation of Jiangxi Province (20212ACB204008)引文格式：杨庆, 徐文文, 周伟, 等. 金属材料表面纳米化研究与进展[J]. 表面技术, 2024, 53(4): 20-33.YANG Qing, XU Wenwen, ZHOU Wei, et al. Research and Progress on Surface Nanocrystallization of Metallic Materials[J]. Surface Technology, 2024, 53(4): 20-33.*通信作者（Corresponding author）第53卷第4期杨庆，等：金属材料表面纳米化研究与进展·21·refine to the nanometer level, forming nanostructured layers with gradient changes of grains along the thickness direction, including surface non-woven nanocrystalline layer, submicron fine crystal layer, coarse crystal deformation layer and matrix layer, and this unique gradient nanostructure is effective for the significant improvement of surface properties of metallic materials. The process technology and related applications of nanocrystalline layers on the surface of metallic materials in China and abroad are introduced, and the research progress of high-performance gradient nanostructured materials is discussed.Starting from the classification of the preparation process of gradient nanostructured materials and combining with the research results of surface nanosizing in China and abroad, a brief overview of three methods of metal surface nanosizing, namely, surface coating or deposition, surface self-nanosizing and hybrid nanosizing, was given, the advantages and disadvantages of each were discussed and the advantages of surface self-nanosizing technology were summarized. On the basis of this, the key role of dislocations and twins in the process of surface self-nanitrification of metallic materials was analyzed, and the mechanism of surface self-nanitrification of metallic materials was inextricably linked to the material structure and the size of layer dislocation energy, and the current research status of the mechanism of surface self-nanitrification of metallic materials was summarized. Finally, the key technologies required to be overcome in the existing surface strengthening process were summarized, and future research work was prospected. It was proposed to combine surface nanosizing technology with some existing surface treatment technologies such as electroplating, vapor deposition, tack coating, spraying, chemical heat treatment, etc., to replace the high-cost manufacturing technologies and prepare inexpensive complex-phase surface layers with more excellent performance.Techniques for the preparation of gradient nanostructured materials include surface coating or deposition, surface self-nanosizing, and hybrid surface nanosizing. Surface coating or deposition technology has the advantages of precise control of grain size and chemical composition, and relatively mature process optimization, etc. However, because the coating or deposition technology adds a cover layer on the material surface, the overall size of the material increases slightly, and there is a certain boundary between the coating and the material, and there will be defects in the specific input of production applications.In addition, the thickness of the gradient layer prepared by this technology is related to the deposition rate, which takes several hours to prepare a sample. The surface self-nanitrification technique, which generates intense plastic deformation on the surface of metal materials, has the advantages of simple operation, low cost and wide application, low investment in equipment and easy realization of unique advantages. The nanocrystalline layer prepared on the surface of metal materials with the surface self-nanitrification technique has a dense structure and no chemical composition difference from the substrate, and no surface defects such as pitting and pores, but the thickness of the gradient layers and nanolayers prepared by this technique as well as the surface quality of the material vary greatly depending on the process. Hybrid surface nanosizing is a combination of the first two techniques, in which a nanocrystalline layer is firstly prepared on the surface of a metallic material by surface nanosizing technology, and then a compound with a different composition from the base layer is formed on its surface by means of chemical treatment.To realize the modern industrial application of this new surface strengthening technology, it is still necessary to clarify the strengthening mechanism and formation kinetics of surface nanosizing technology as well as the effect of process parameters, microstructure, structure and properties on the nanosizing behavior of the material. For different nanosizing technologies, the precise numerical models for nanosizing technologies need to be established and improved, and the surface self-nanosizing equipment suitable for industrial scale production needs to be developed. In the future, surface nanosizing technology will be combined with some existing surface treatment technologies (e.g. electroplating, vapor deposition, adhesion coating, spraying, chemical heat treatment, etc.) to prepare a complex phase surface layer with more excellent performance, which is expected to achieve a greater comprehensive performance improvement of the surface layer of metal materials.KEY WORDS: metal material; surface nanocrystallization; gradient nanostructures; nanocrystallization mechanism; surface properties金属材料在基建工程、航空航天中扮演着重要角色，随着当今科学技术的高速发展，传统金属材料的局限性日趋明显，开发一种综合性能优异的金属材料迫在眉睫。
金属材料表面纳米化的研究现状
金属材料表面纳米化的研究现状
金属材料表面纳米化的研究现状主要包括以下几个方面：
1. 表面纳米结构制备技术：包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射沉积、电子束蒸发等技术，通过控制沉积参数和处理条件，可制备出不同形貌和尺寸的表面纳米结构。
2. 表面纳米结构的物理和化学性质：通过表征技术如扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射等，研究表面纳米结构的形貌、晶体结构和化学成分，同时也研究其在光学、电子、力学等方面的性质。
3. 表面纳米结构的增强效应：纳米结构的引入改变了材料表面的电子结构和表面电场分布，从而导致一系列的物理和化学增强效应，如增强的光吸收、增强的催化活性、增加的疏水性等。
4. 表面纳米结构的应用：纳米结构的引入可用于光电器件、传感器、催化剂、涂层等多个领域。
例如，纳米颗粒可以用于制备表面增强拉曼光谱（SERS）基底，纳米线结构可用于柔性
电子器件。
总体来说，金属材料表面纳米化的研究旨在通过控制表面结构和性质，实现金属材料的功能化和性能提升，拓展其在各个领域的应用。
不同的纳米结构和制备方法可以根据具体需求进行选择，并通过表征技术和性能测试手段来评估其性能。
表面纳米化对7055铝合金耐磨性能的影响
第 一作 者简介 ： 田 龙（ １ ９ ７ ６ 一） 男， 硕士， 讲师 。研究方 向 ： 机械 工
程、 材 料 加 工 研 究 与 教学 。Ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ：ｔ ｉ ａ ｎ ｌ ｏ ｎ ｇ — ｔ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｒ ＠１ ６ ３ ． ｅ ｏ ｍ。
具有 良好 的综合 力 学性 能 ， 在 航 空 航 天领 域 广 泛使
零部件表面进行高能喷丸纳米化 ， 使得提高金属零 部件耐摩擦性能 、 耐摩擦腐蚀性 ， 从 而有效延长零
部 件使 用寿命 。因此 ， 材 料 表 面 高能 喷 丸 纳米 化 的 耐磨性 能 研 究 正 在 成 为 一 个 热 点 研 究 领 域 。文 献 ［ ５ ］ 将Ｏ Ｃ ｒ ｌ ８ Ｎ ｉ ９ Ｔ ｉ 作为研究对象 ， 利 用 高 能 喷 丸 工
合金材料进行表面纳米化处理 ； 在７ ０ ５ ５铝合金表面获得纳米结构。利用透射电镜 分析纳米 化前后微观组织的变化 ， 同时对纳
米化材料表层进行残余应力及 显微硬度测定 ， 并采 用球 盘磨损试验机研 究 了纳米化表面对 固定载荷条件 下 ７ ０ ５ ５铝合金材料
磨损性能的影响。结果表 明： 表面纳米化使 ７ ０ ５ ５铝合金材料表面发生严 重塑性变形 ， 材 料表面分布较 高幅值残余压 应力， 最 大可达到 一 ３ ６ ９ Ｍ Ｐ ａ ， 残余压应力层深度达 ０ ． ６ ｍ ｍ； 纳米化后试样显微硬度较基体提 高 了５ ０ ％ 。摩擦磨损 实验 表明 ： 表 面纳
表 面层 产生 晶粒 细化 ， 喷丸表 面晶粒 尺 寸达 ５ ２ ｎ ｍ，
寿命前失效破坏， 经过调查发现 ， 大量金属结构件 的失效破坏多源于零部件 的表面¨ ； 因此利用各种
表 面处理 技术 来改 善 金属 构 件 材料 表 面耐 摩擦 、 磨
浅析表面纳米化对金属疲劳性能的影响
引 言１９９８年６月３日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨，造成１００多人遇难身亡的严重后果。
事后经过调查，人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。
从而导致了这场近５０年来德国最惨重铁路事故的发生。
２００２ 年５月２５日，台湾“中华航空公司”ＣＩ－６１ 班机，波音ｂ７４７－２００ 型客机在从台北飞往香港的途中坠机，乘坐这一航班的２０６ 名乘客和１９名机组成员全部遇难。
事后经台湾“中科院”航材所、美国国家运输安全委员会以及波音公司对飞机残骸进行金相分析表明，金属疲劳竟然是造成这次惨重事故的重要原因之一。
诸如此类，因金属疲劳引起的灾难性破坏事故屡见不鲜。
因此，研究金属疲劳问题的产生原因和寻求解决金属疲劳失效的方法显得十分重要。
疲劳断裂是造成航空、桥梁、车辆交通等领域发生严重事故的重要原因之一，因此研究各种因素对晶体金属疲劳寿命的影响，显得尤为重要。
１，金属疲劳现象的产生机理为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为从微观角度讲，金属内部浅析表面纳米化对金属疲劳性能的影响张 力 西安航空职业技术学院工业生产中心 ７１００８９结构并不均匀，从而造成对应力传递的不平衡，有缺陷的地方会成为应力集中区。
与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹，在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递载荷时，金属构件就会全部毁坏，甚至在工作应力远低于许用应力的情况下突然断裂，发生所谓的低应力脆断。
２，表面纳米化技术的提出和意义近年来，纳米材料以其优异的性能已成为材料领域研究的热点之一。
纳米材料由于晶粒细小（通常至少在一维方向上小于１００ｎｍ，典型为ｌ０ｎｍ左右），界面密度高、所占体积分数大，表现出独特的力学及物理化学性能。
大量实验结果表明，纳米材料的力学行为和性能通常优于传统粗晶材料，因此对粗晶材料进行晶粒细化处理使其晶粒达到纳米级（简称纳米化）将是一种不改变材料化学成分而提高其综合性能的新方法。
纯铜表面纳米化的微观结构演化及其力学性能研究
纯铜表面纳米化的微观结构演化及其力学性能研究
纯铜是一种常见的金属材料，具有良好的导电性和导热性，并且具有良好的可塑性和强度。
在某些特定的工程应用中，如微电子器件和传感器等，要求纯铜具有更高的强度和硬度。
为了提高纯铜的力学性能，一种常用的方法是对其表面进行纳米化处理。
纳米化处理是通过控制处理工艺中的参数和条件，使材料的表面形成纳米尺度的结构和特点。
纳米化处理可以改善材料的力学性能，并在一些特殊应用中发挥重要作用。
在纯铜表面纳米化的研究中，通常采用的方法包括机械磨削、化学腐蚀和电化学方法等。
在纯铜表面纳米化的微观结构演化方面的研究中，主要关注以下几个方面。
首先是纳米化处理过程中铜表面的微观结构演化规律。
通过对纳米化处理过程中不同参数和条件下的铜表面进行观察和分析，可以揭示铜表面纳米化的微观结构变化规律，包括晶粒尺寸的变化、晶粒形貌的演化等。
其次是纳米化处理对纯铜力学性能的影响。
通过对纯铜表面纳米化的力学性能进行测试和分析，可以研究纳米化处理对纯铜的硬度、强度和塑性等力学性能的影响。
纯铜表面纳米化的微观结构演化及其力学性能的研究对于了解纳米材料的制备和应用具有重要意义。
纯铜表面纳米化可以提高纯铜的力学性能，为其在微电子器件和传感器等领域的应用提供可能性。
通过对纯铜表面纳米化的研究，可以优化纳米化处理的工艺参数和条件，以获得更好的性能效果。
机械材料表面纳米化处理研究及应用
机械材料表面纳米化处理研究及应用近年来，随着科技的不断进步，机械材料表面纳米化处理逐渐成为研究的热点领域。
表面纳米化处理是指通过改变材料表面的结构和性质，使其具备更好的力学性能和化学活性。
这一技术已经被广泛应用于许多领域，包括航空航天、汽车制造和生物医学等。
首先，机械材料表面纳米化处理可以显著改善材料的硬度和耐磨性能。
通过利用纳米颗粒或纳米涂层，可以增加材料表面的硬度，从而增强其抗磨损能力。
比如，飞机发动机的涡轮叶片通常需要经受极高的磨损和高温腐蚀的考验，通过在叶片表面进行纳米化处理，可以大大延长其使用寿命。
其次，表面纳米化处理还可以改善材料的耐腐蚀性能。
很多金属在潮湿的环境下容易发生腐蚀，导致材料的性能下降。
通过纳米化处理，可以在材料表面形成一层致密的金属氧化物膜，阻断金属与周围环境的直接接触，从而提高其耐腐蚀性能。
这种技术在船舶制造和海洋工程中得到了广泛应用，可有效延长材料的使用寿命。
此外，表面纳米化处理还可以改善材料的润滑性能。
摩擦和磨损是很多机械设备运行过程中不可避免的问题，而纳米化处理可以在材料表面形成一层低摩擦的纳米润滑层，减少摩擦阻力，提高机械效率。
例如，纳米润滑层在汽车发动机零部件的制造中得到了广泛应用，可以降低零部件的摩擦损失，提高发动机的燃油效率。
此外，机械材料表面纳米化处理还可以应用于生物医学领域。
在生物医学工程中，纳米材料被广泛应用于药物输送、组织工程和生物传感器等方面。
通过在生物材料表面进行纳米化处理，可以改善材料的生物相容性和降解性能，从而提高生物医学材料的应用效果。
综上所述，机械材料表面纳米化处理是一项重要的研究领域，其应用潜力巨大。
通过改变材料表面的结构和性质，可以显著改善材料的力学性能、化学活性和生物相容性等方面。
尽管目前还存在一些挑战，如处理技术的成本和可扩展性等问题，但随着科技的不断进步，相信这一领域将会得到更多的突破和应用。
我们期待机械材料表面纳米化处理在各个领域的进一步发展和运用，为人类的生活和科技进步做出更大的贡献。
钛合金与不锈钢表面纳米化
图2.5 显微硬度测试位置
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2.2.9 X射线衍射试验
用D/MAX-1400型X射线衍射仪对接头断口两侧进行X射线衍射分 析，确定接头断口上存在的物相。试验所用电压为40kV，电流为30mA ，Cu靶，石墨单色器，扫描速度为4.00º/min。
图2.6 电化学腐蚀试样制备图
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3 试验结果与分析
3.1喷丸表面金相观察
(a)钛合金
(b)不锈钢
图3.1 经表面自纳米化处理后的金相组织
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表2.2 钛合金与不锈钢酸洗液成分
材料 不锈钢 钛合金
HCl(%) 15 —
HNO3(%) 5 80
HF(%)
— 20
H2SO4(%) H2O(%) 酸洗时间
15
65 室温，10s
—
－ 100℃，30s
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抛.2.2高能喷丸试验
在“荣卓”牌6050B型喷丸机上进行高能喷丸试验，喷嘴距处理表 面的距离d为50mm，喷丸压力为0.6Mpa，弹丸直径为1mm,喷丸时间为 5min。喷丸原理如图2.3所示。在图2.3（a）中，工作仓内的钢丸在 负压作用下被吸附到高压喷枪喷嘴处，钢丸在高压气流的带动下高 速冲击到试样表面，每一颗钢丸冲击到试样表面都使表面发生局
在金属表面生成纳米氧化膜的方法
在金属表面生成纳米氧化膜的方法
在金属表面生成纳米氧化膜的方法有多种，其中一种常用的方法是阳极氧化法。
这种方法的基本原理是在金属表面施加阳极电压，使金属表面发生氧化反应，生成氧化膜。
具体步骤如下：
1.准备金属试样，可以是金属片、金属丝或金属粉末等。
2.将金属试样放入电解液中，并确保电解液与金属表面充分接触。
3.在金属试样上施加阳极电压，使金属表面的电子被强制移出，
形成正电荷的离子。
4.随着电压的升高，电解液中的阴离子向金属表面移动，与正电
荷的离子结合形成氧化物。
5.随着反应的进行，金属表面逐渐被氧化物覆盖，形成一层纳米
级别的氧化膜。
6.控制反应时间和电压的大小，可以控制氧化膜的厚度和性质。
除了阳极氧化法，还有其他方法可以在金属表面生成纳米氧化膜，例如化学氧化法、电化学沉积法、溶胶-凝胶法等。
这些方法各有优缺点，可以根据具体需求选择合适的方法。
金属表面纳米化
表面自身纳米化及其研究进展摘要：金属材料表面自身纳米化，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。
纳米结构表层与基体之问没有明砬的界面，处理前后材料的外形尺寸基本没变，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米晶体材料的优异性能与传统金属材料相结合。
关键词：表面自身纳米化；性能；应用前言很多丁程上的应用只需要改善材料的表面性能．就可以提高整个材料的综合服役性能和使用寿命，因为材料的失效一般源于材料的表面，如材料的疲劳、磨蚀疲劳、腐蚀、摩擦磨损等。
另外，为了改进一些常见的材料加丁工艺，如材料的表面渗氮、渗铬，异种金属材料的固态扩散焊接等，迫切需要改善材料的表面性能。
显然，把纳米技术与表面改性技术相结合。
实现材料的表面纳米化。
将是一个非常有潜力的领域。
近年来，徐滨士等【1-2】提出纳米表面工程的概念。
为材料表面改性开创了新的途径。
表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。
这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合，在工业应用上具有广阔的应用前景。
众所周知，工程结构材料的失效多始于表面，而且材料的疲劳、腐蚀、磨损对材料的表面结构和性能很敏感。
因此，表面组织和性能的优化就成为提高材料整体性能和服役行为的有效途径。
1999年，h等⋯提出了金属材料表面自身纳米化(SufaceSelf-Nanocrystallization，SNC)的概念，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。
纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后材料的外形尺寸基本不变。
这种表面自身纳米化技术，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表面改性技术中。
因此，这种新材料新技术具有很大的工业应用价值。
目前，表面纳米化的研究主要集中于机械加工的方法。
本文将简要介绍表面自身纳米化处理的技术特点以及对疲劳、腐蚀、磨损等性能的影响。
316L不锈钢表面纳米化后疲劳性能初步探讨
贵州大学硕士学位论文图１－６表而纳米化的三种基本方式Ｆｉｇ，ｌ・６Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉ－ｚａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ：（ａ）Ｓｕｒｆａｃｅｃｏａｔｉｎｇ０１＂ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；（ｂ）Ｓｕｒｆａｃｅｓｅｌｆ－ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ；（ｃ）Ｈｙｂｒｉｄｓｕｒｆａｃｅｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ．钢铁材料的屈服强度随着表面纳米化处理时间的延长而增加，见图ｌ一９所示。
当达到一定的时间后，屈服强度趋于一个稳定值。
这是由于处理一定时间后，表面层的晶粒细化到临界值，不再随着表面纳米化处理时间的延长而进一步细化，所以材料的屈服强度也不再增加。
（２）表面粗糙度在实际生产应用中，材料（零件）表面粗糙度对摩擦过程中磨损机理和抗疲劳强度等有着重要的影响。
表面粗糙度是在较短的距离内（２～８００∥ｍ）出现的凹凸不平（０．０３～４００∥ｍ），它是摩擦学研究中最重要的一类表面特征。
在超音速微粒轰击过程中，由于微粒与样品之间的高速撞击而产生大量的凹坑，造成材料表面粗糙度的改变。
因此，有必要对轰击前后的材料表面粗糙度的变化进行分析研究。
从参考文献中Ｉｚｑ，我们发现轰击后材料的表面粗糙度与普通切削加工的表面粗糙度不同，从而影响到材料的使用性能。
普通切削加工表面存在犁沟，容易造成滑动密封性能降低或润滑剂流失；而超音速微粒轰击的金属表面被高速微粒撞击，出现宏观上均匀分布的大量类球型微坑结构，微坑直径小于轰击微粒直径（轰击微粒直径在５０ｕｒａ以下），轰击面的理想外形应是大量球坑的包络面，但实际上轰击微粒撞击到样品的表面时，凹坑周边材料被挤压隆起，凹坑不再是理想的半球形，同时，由于轰击微粒是类球形，使得样品实际外形比理想情况复杂的多，如１－１０所示。
因此对普通切削加工表面进行表面纳米化处理，可以消除前加工残留的痕迹，使外表美观，同时这些凹坑具有良好的储油性，能够降低相互摩擦零件间（摩擦副）的摩擦系数，改善滑动密封面的磨损，从而提高零件的耐磨性能。
40Cr钢和GCr15钢的表面纳米化研究
40Cr钢和GCr15钢的表面纳米化研究张俊宝*，刘玉亮，宋洪伟，吴 杰，史 弼，熊天英摘要：利用高能表面处理技术在40Cr钢和 GCr15钢表面制备了纳米晶表面层。
采用TEM和纳米压痕技术等分析测试了表面纳米晶层的组织结构与纳米硬度。
实验结果表明：经高能表面处理后，40Cr钢和GCr15钢表层组织均由分布均匀的纳米铁素体和渗碳体晶粒构成，表面至5 μm深度范围内的平均晶粒尺寸分别约为8nm和10 nm；表面层的纳米压痕硬度得到大幅度提高，分别达到8.0 GPa 和12.5 GPa，并随着深度的增加硬度迅速降低。
关键词：40Cr钢；GCr15钢；表面纳米化；微观组织；纳米压痕硬度1 引言近年来，纳米材料以其优异的性能已成为材料领域研究的热点之一[1,2,3]。
纳米材料由于晶粒细小（通常至少在一维方向上小于100nm），界面密度高、所占体积分数大，表现出独特的力学及物理化学性能[4,5]。
大量实验结果表明，纳米材料的力学行为和性能通常优于传统粗晶材料[6～8]，因此对粗晶材料进行晶粒细化处理使其晶粒达到纳米级（简称纳米化）将是一种不改变材料化学成分而提高其综合性能的新方法。
实际上，材料的失效大多发生在表面，表层的结构和性能直接影响着工程金属材料的综合性能指标。
所以表面改性技术成为一项重要的提高材料综合性能的实用技术[9]。
利用金属纳米材料的优异性能对传统工程金属材料进行表面结构改良，即制备出一层具有纳米晶体结构的表面层，将可能改善工程材料的综合力学性能及环境服役行为，在工业应用上具有重要价值。
本工作利用高能表面处理技术，在40Cr钢和GCr15钢表面制备出纳米晶表面层，利用TEM 观察分析了其微观组织结构，利用纳米压痕技术测试了样品沿深度方向的硬度。
2 实验本试验选择40Cr钢和GCr15钢为实验材料，其化学成分见表1。
材料经过调质处理后，得到由铁素体基体和细小的颗粒状渗碳体组成的回火索氏体组织。
不锈钢表面纳米化处理
不锈钢表面纳米化处理引言：不锈钢是一种常用的金属材料，具有良好的耐腐蚀性和机械强度。
然而，由于其表面粗糙度和结晶缺陷等因素，不锈钢的性能仍然存在一定的局限性。
为了进一步提升不锈钢的性能，人们开展了表面纳米化处理研究。
本文将从表面纳米化处理的原理、方法和应用领域等方面进行探讨。
一、表面纳米化处理的原理表面纳米化处理是指通过在不锈钢表面形成纳米级结构，改变其表面形貌和性能。
其原理主要包括两个方面：表面形貌改变和晶界结构调控。
1.表面形貌改变：表面形貌改变是指通过纳米化处理技术，使不锈钢表面形成纳米级结构，如纳米颗粒、纳米线、纳米孔等。
这些纳米结构具有较大的比表面积和特殊的表面能，可以增强不锈钢的吸附性能、光学性能和催化性能等。
2.晶界结构调控：晶界结构调控是指通过纳米化处理技术，调控不锈钢的晶界结构，包括晶粒尺寸、晶界数目和晶界能等。
这些调控可以有效地优化不锈钢的力学性能、电学性能和热学性能等。
二、表面纳米化处理的方法表面纳米化处理的方法多种多样，根据不同的目的和要求选择适合的方法。
1.机械法：机械法是最简单、最常用的表面纳米化处理方法之一。
通过机械研磨、划伤等方式，可以使不锈钢表面形成纳米级结构。
这种方法操作简单、成本低廉，但对于表面纳米化处理的深度和均匀性要求较高。
2.化学法：化学法是一种常用的表面纳米化处理方法，包括溶液法、浸渍法和电化学法等。
通过浸泡不锈钢于含有金属离子、有机物或无机物的溶液中，可以使不锈钢表面发生化学反应，形成纳米级结构。
这种方法能够实现较好的表面纳米化处理效果，但需要控制好反应条件，以避免产生不良的化学反应。
3.物理法：物理法是一种高精度的表面纳米化处理方法，包括溅射法、离子注入法和等离子体法等。
通过物理手段，如离子轰击、溅射沉积等，可以使不锈钢表面形成纳米级结构。
这种方法具有较高的精度和控制性，但设备复杂、成本较高。
三、表面纳米化处理的应用领域表面纳米化处理技术在不锈钢材料的各个领域都有广泛的应用。
金属 纳米涂层 表面处理
金属纳米涂层表面处理1. 引言1.1 金属纳米涂层的定义金属纳米涂层是一种在金属表面形成微米甚至纳米级别的薄膜覆盖层，其厚度通常在几纳米到几百纳米之间。
这种薄膜覆盖层由纳米颗粒组成，具有较高的比表面积和特殊的物理化学性质。
金属纳米涂层可以通过物理气相沉积、溶液法、化学气相沉积等方法制备，具有较好的导电性、耐腐蚀性和机械性能。
金属纳米涂层被广泛应用于电子、汽车、航空航天等领域，可以提高金属材料的性能和功能。
在生物医学领域，金属纳米涂层可以用于制备生物传感器、药物载体等，具有较好的生物相容性和生物活性，有望应用于疾病诊断和治疗。
在航空航天领域，金属纳米涂层可以提高飞机部件的耐磨性和耐热性，延长使用寿命，提高安全性和可靠性。
金属纳米涂层的出现和应用为金属材料的性能提升和功能拓展提供了新的途径和可能性。
通过对金属纳米涂层的研究和应用，可以进一步推动金属材料领域的发展和创新。
1.2 表面处理的重要性表面处理是指对金属表面进行一系列的物理、化学或机械处理，以改善其表面性能和延长材料的使用寿命。
表面处理在金属纳米涂层制备过程中起着至关重要的作用。
表面处理可以去除金属表面的氧化物、有机物或杂质等杂质物质，使金属表面更加洁净，有利于涂层的附着和稳定性。
通过表面处理可以增加金属表面的粗糙度，提高其表面能量和化学活性，进而有利于纳米涂层的均匀分布和附着力的增强。
表面处理还可以改善金属表面的机械性能和耐腐蚀性能，提高其使用寿命和稳定性。
表面处理在金属纳米涂层制备中扮演着不可或缺的角色，其重要性不容忽视。
通过合理的表面处理方法，可以有效提高纳米涂层的质量和性能，拓展金属纳米涂层在各个领域的应用。
2. 正文2.1 金属纳米涂层的制备方法金属纳米涂层的制备方法有多种，主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶液法和电化学沉积等技术。
物理气相沉积是一种常用的制备方法，通过在真空条件下使金属原子或金属化合物蒸发，然后在基底表面沉积形成纳米涂层。
金属表面纳米处理技术研究
金属表面纳米处理技术研究金属表面纳米处理技术是近年来发展迅速的一种重要新技术。
它通过对金属表面进行纳米级处理，使其表面能够呈现出一种全新的材料特性和性能，从而提高了其在不同领域的应用性能。
本文将从理论、研究现状和应用等方面对金属表面纳米处理技术进行深入探讨。
一、理论基础金属表面纳米处理技术是基于纳米尺度特异性影响的新技术。
纳米技术是指在纳米级尺度上加工和控制物质结构、性质和功能的技术。
在金属表面纳米处理技术中，通常将金属表面进行纳米级处理来获得所需的特定性质。
金属表面纳米处理技术主要有以下两个理论基础。
1. 纳米级表面效应金属表面纳米处理技术的核心理论基础是纳米级表面效应。
表面效应是指当物体尺寸缩小到一定大小时，表面反应所占的比例比较大，因此表面的物理化学性质和材料性能就与体积效应有很大的不同。
在纳米尺度下，表面积和晶界的比例显著增加，使得金属表面的原子构象、能级结构和表面反应性等都发生了不同程度的改变。
2. 纳米级结构效应金属表面纳米处理技术的另一个理论基础是纳米级结构效应。
纳米结构是指尺寸在纳米级范围内的材料结构。
当金属材料表面形成纳米级结构时，由于其特殊的尺度和表面能量变化，其材料性质和行为就会发生很大变化，如表面硬度增加、疲劳寿命增加、耐腐蚀性能提高和电磁特性的改变等。
二、研究现状1. 金属表面纳米处理技术的方法目前，金属表面纳米处理技术的方法主要包括机械处理法、化学处理法、电化学处理法、物理气相沉积处理法、液相沉积处理法和微纳加工处理法。
机械处理法是利用机械力学原理对金属表面进行加工处理，如磨削、拔丝、电火花加工等。
化学处理法是利用化学反应对金属表面进行处理，如化学镀、蚀刻、离子注入等。
而电化学处理法主要是利用电化学反应对金属表面进行处理，如化学电镀、电解蚀刻等。
物理气相沉积处理法是将金属材料置于高压环境中，使其表面形成纳米级的沉积层。
液相沉积处理法是将纳米级颗粒溶解在溶液中，然后利用化学反应等方法将其沉积到金属表面。
浅析表面纳米化对金属疲劳性能的影响
裂，而腐蚀、磨损 与疲劳断 裂均始 白材料 表 面， 所以材料 表面的结构和 性 能直接影响 工程金 属 材料的综合性能。金属部件 中有 ８％ 以上的损 ｏ
坏是 由于 疲劳引起 的 ，而且 ，一旦产生疲劳就 会造成十 分严重的后 果。 本文主要从 三方 面分 析 了表面纳柬化改善金 属疲劳性 能的机理 。显
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息 ２ ０ 年第 ９ ０６ 期
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纳 米化
对金属疲劳性能的影响
张 力 西安航 空职业技 术学院工业生产 中心 ７ ０ ８ １０ ９
遇 难。事后 经台湾 “ 中科 院”航材所 、美 国国家运输安全委 员会以及波音公 司对飞 机 残骸进 行金相分析表 明 ，金属疲劳竟然 是造成这次惨莺事故的重要原 因之一 。诸 如此类 ，因金属疲劳 引起 的灾难性破坏事 故 屡见 鲜 。因此 ，研 究金属疲劳问题 的
产生原 因和寻求解决金属疲劳失效的方法 显得 十分重要。
金 属材料 的失效 形 式主 要 是腐 蚀 、磨 损和 断
结 构并 不 均 匀 ，从而造 成 对膨 力传递 的 平衡 ，有缺 陷的 地 方会 戍为 应 力集 中 区。 与此 同时 ，金属内部的缺陷处还俘存 许 多微小 的裂纹 ，在力的持续作用下 ，裂 纹会越来越大 ，材 料中能够传递应力部 分 越 来越 少 ，直至剩余部分不能继 续传递载 荷时 ，金 属构 件就 会全部毁坏 ，甚至在工 作应 力远低下许用应 力的情况一突然断 裂， ｒ
一
层具有纳 米晶体结构的表面层 ，将 ＿能改 米化后 ，表面的滑移带 、晶界 、第二相界 日 『 善工程材料的综合 力学性能及环境服役行 面相对减 少 ，这样，有利于抑制裂纹的萌 为 ，在 工 业应 用上 具 有 苇要 价 值 。 传统的改善金属疲劳性能 的方法 如表 面 镀 层 （ 铬 、镀 镍 等 ） 镀 。细 化 晶粒 存 在两 个 土要 难 ：第一 ，镀 层 本身 即使
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表面自身纳米化及其研究进展摘要：金属材料表面自身纳米化，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。
纳米结构表层与基体之问没有明砬的界面，处理前后材料的外形尺寸基本没变，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米晶体材料的优异性能与传统金属材料相结合。
关键词：表面自身纳米化；性能；应用前言很多丁程上的应用只需要改善材料的表面性能．就可以提高整个材料的综合服役性能和使用寿命，因为材料的失效一般源于材料的表面，如材料的疲劳、磨蚀疲劳、腐蚀、摩擦磨损等。
另外，为了改进一些常见的材料加丁工艺，如材料的表面渗氮、渗铬，异种金属材料的固态扩散焊接等，迫切需要改善材料的表面性能。
显然，把纳米技术与表面改性技术相结合。
实现材料的表面纳米化。
将是一个非常有潜力的领域。
近年来，徐滨士等【1-2】提出纳米表面工程的概念。
为材料表面改性开创了新的途径。
表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。
这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合，在工业应用上具有广阔的应用前景。
众所周知，工程结构材料的失效多始于表面，而且材料的疲劳、腐蚀、磨损对材料的表面结构和性能很敏感。
因此，表面组织和性能的优化就成为提高材料整体性能和服役行为的有效途径。
1999年，h等⋯提出了金属材料表面自身纳米化(SufaceSelf-Nanocrystallization，SNC)的概念，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。
纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后材料的外形尺寸基本不变。
这种表面自身纳米化技术，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表面改性技术中。
因此，这种新材料新技术具有很大的工业应用价值。
目前，表面纳米化的研究主要集中于机械加工的方法。
本文将简要介绍表面自身纳米化处理的技术特点以及对疲劳、腐蚀、磨损等性能的影响。
2 表面纳米化的基本原理与制备方法在块状粗晶材料上获得纳米结构表层有3种基本方式[8] 表面涂层或沉积，表面自身纳米化和混合方式。
表面涂层或沉积，首先制备出具有纳米尺度的颗粒再将这些颗粒固结在材料的表面在材料上形成一个与基体化学成分相同(或不同)的纳米结构表层。
这种材料的主要特征是纳米结构表层内的晶粒大小比较均匀表层与基体之间存在着明显的界面材料的外形尺寸与处理前相比有所增加。
表面自身纳米化，对于多晶材料采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能使粗晶组织逐渐细化至纳米量级这种材料的主要特征是晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大纳米结构表层与基体之间不存在界面与处理前相比材料的外形尺寸基本不变。
表面自身纳米化技术与表面自身纳米化材料有很多独特之处：首先，表面自身纳米化采用常规的表面处理方法(或者对常规的处理方法进行略微的改造)即可实现，在工业应用中不存在明显的技术障碍；其次，表面自身纳米化材料表面的晶粒尺寸在厚度方向沿梯度变化，表面自身纳米晶组织与基体组织之问不存在明显的界面，不会发生剥层和分离；第三，表面自身纳米化既适用于材料的整体，又可用于材料的局部改性。
对比表面涂层或沉积，表面自身纳米化技术与利用表面涂层或沉积实现表面纳米化有着明显的区别，表面涂层或沉积纳米化是利用常规的表面涂层和沉积技术，如PVD、CVD、溅射、电镀和电解沉积等，将制备好的纳米颗粒固结在材料的表面，在材料表面形成一个与基体化学成分相同或不同的纳米结构表层。
纳米结构表层与基体之间存在着明显的界面，材料的外形尺寸与处理前相比有所增加。
表面自身纳米化的制备原理简介由非平衡过程实现表面自身纳米化主要有两种方法心】，即表面机械加工处理法和非平衡热力学法，不同方法所采用的工艺和由其导致的纳米化的微观机理均存在着较大的差异。
现在，绝大多数实现表面自身纳米化的方法主要是表面机械加工法。
主要是表面机械加工处理方法原理简单，用常规的表面处理技术就可以实现，在具体的实验操作中易获得纳米层。
表面机械加工法实现表面自身纳米化是一种非平衡处理方法，即外加载荷重复作用于材料表面，增加多晶体金属材料表面的自由能，使表面组织产生不同方向的强烈塑性变形而逐渐将材料表层的粗晶组织细化至纳米量级⋯。
该方法的晶粒细化机理类似于早前提出的用强烈塑性变形法(Severe Plastic Deformation，SPD)制备块体纳米晶材料的细化机理，主要是通过塑性变形以及位错的运动来细化晶粒。
不同之处在于前者塑性变形只发生在试样的表层，并由表及里逐渐减小，通常变形层的深度为几十至几百微米，只有表面层结构发生变化并细化为纳米晶，而材料内部仍保持原始的组织结构；目前．用的比较多、相对比较成熟的方法有：表面机械研磨处理(SmT)超声喷丸(USSP)、高能喷丸(HESP)、气动喷丸等。
另外，激光脉冲产生的冲击波也可以使材料发生强烈的塑性变形。
并促使晶粒细化。
后者是利用压力扭转或等通道挤压的方法使试样整体产生强烈的塑性变形，从而使晶粒不断细化，以达到纳米尺寸的晶粒，材料的内部有较强的织构和较大的内应力，同时该方法的适用范围受到材料变形难易程度的限制。
非平衡热力学法，是将材料的表面达到熔化或相变温度，再进行急速冷却，通过动力学控制来提高形核速率并抑制晶粒长大速度，可以在材料的表面获得纳米晶组织。
实现快速加热一冷却的方法主要有激光加热和电子辐射等。
1．3表面层的组织结构目前的研究均表明㈣，表面自纳米化处理后，在材料上可获得表面为纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度结构。
一般将表面层分为四层：纳米结构表层、细化的亚微晶层、变形细化的微晶层和基本没有变化的基体【¨】。
表面纳米化对性能的影晌1．4表面纳米化层的力学性能表面纳米化改变了材料表面的组织和结构．这不仅有利于提高材料的表面性能．而且对材料的整体性能也有相当的提高。
目前。
对于纳米结构表层的力学性能，如强度、硬度、塑性与超塑性、冲击韧度、弹性模量、疲劳性能、摩擦磨损性能等。
抗腐蚀性能、扩散性能、稳定性等已有比较广泛的研究【Ⅲ柳。
表面纳米晶层的硬度显著提高．并随着深度的增加而逐渐减小．与显微组织未发生变化的心部相比，硬度可提高几倍(旧，表面以下亚微晶层的硬度也明显增大；表面硬度的提高有助于改善材料的摩擦磨损性能，但由于机械加工处理引起的表面粗糙度的增加却有可能对材料的耐磨性产生不利的影响，因此在低载荷下材料的摩擦磨损性与表面处理前相比变化不大。
随着载荷的增加。
未处理材料的磨损量急剧下降，而表面纳米化材料的磨损量变化很小。
可见表面纳米化能够明显提高高载荷下材料的耐摩擦磨损性能刚。
经研究发现【2l】，表面纳米化可以提高低碳钢在低载荷及中等载荷作用下的耐磨性，并可以明显降低摩擦系数；同时，随着载荷的增大，表面纳米化低碳钢的主要磨损机制从磨粒磨损方式转变为疲劳磨损方式．表面纳米化有助于减弱低碳钢表面的疲劳磨损效应，表面纳米化可以提高材料表面的抗冲击性能，研究低碳钢经过表面机械加工处理后冲击能量与刮削体积的关系可以得出：试验初期。
表面纳米化材料的抗冲击性明显优于处理前．随着冲击次数的增加。
二者的差距减小，这主要是纳米结构表层因冲击次数增加而逐渐消失所致。
随着制备工艺的不断完善，表面纳米结构表层厚度的增加得到进一步提高。
表面性能的改善对材料的整体性能也会产生有利影响阎，l mm厚度的低碳钢板材双面经过表面机械加工处理后，当双侧纳米层厚度只占板材总厚度的3％时．材料的屈服强度可提高约35％，而伸长率只下降4％。
对于块状超细材料来说，强度的提高总是伴随着韧性的明显下降．而表面纳米化能够有效地提高材料的整体强度，同时又不明显地降低材料的韧性。
4．2表面纳米层的耐蚀性能金属材料表面纳米化以后，表面的纳米晶体材料中含有大量能量较高的亚稳定态晶界，表面活性较高，晶界的体积比明显增加，晶界处的原子数较多。
活性金属参与腐蚀反应的活性原子增加，使材料易于发生腐蚀反应。
但对于惰性金属，表面更易形成致密的钝化膜，反而可以提高材料的抗腐蚀性能。
李瑛等[16]研究了SMAT低碳钢的电化学腐蚀行为，研究结果表明材料的反应活性普遍增加，对于活性金属，纳米化使材料的腐蚀速度增加，并且溶解速度存在明显的尺寸效应。
在晶粒尺寸小于35rim时，纳米低碳钢的电化学腐蚀速度随晶粒尺度的增加而降低，当晶粒尺寸高于35nm时，晶粒尺度对腐蚀速度的影响不大。
X Y．Wang等n7]经过表面喷砂和退火处理在304不锈钢表面制备了20nm的纳米化层，表面形成的致密的钝化膜提高了材料的抗腐蚀的能力。
4．3表面纳米化对抗疲劳性能的影响材料经过表面纳米化处理之后，表层形成的组织均一、性能均一的纳米晶层可以有效地抑制疲劳裂纹的萌生，同时表面形成的压应力层也有助于提高材料的抗疲劳性能。
李东等[18]利用SMAT技术，在SS400钢焊接接头表面形成了尺寸均匀、晶粒取向呈随机分布的纳米晶组织，实现了焊接接头表层硬度的均匀化，表层硬度明显高于内部，而消除了对接接头表层组织的不均匀性，使焊接接头表面的拉应力变为压应力，提高了焊接接头的抗疲劳性能。
另外熊天英等[1叼利用SSPB技术在0Crl8Ni9Ti焊接接头表面形成了组织均匀的纳米晶层，表面形成压应力层。
接头的抗Hzs应力腐蚀试验表明，晶粒尺寸细小而均匀，在裂纹萌生阶段，氢致裂纹驱动力可由更多细小的晶粒所承受，晶内和晶界的应变度相差较小，应力集中较小，因而材料受力均匀，裂纹不易萌生；在裂纹的扩展阶段，由于纳米晶结构的晶界体积分数高，微裂纹将在晶界处受到阻碍，同时一旦微裂纹穿过晶界后，扩展方向就会发生改变，必然消耗更多的能量，从而使微裂纹不易扩展长大，超细等轴晶以及压应力协同作用使焊接接头抗应力腐蚀性能大大提高。
4．4表面纳米化层的热稳定性纳米晶材料是一种非平衡材料，其热稳定性一直都是科研人员研究的重要课题，同样表面纳米化层的热稳定性能也是涉及到表面纳米化技术能否实际应用的一个重要问题。
纳米晶体材料中含有大量能量较高的亚稳定态晶界，纳米晶粒长大的驱动力主要来自体系晶粒和界面的储能降低，阻力来自于原子扩散或晶界迁移需要一定的激活能。
研究表明表面纳米化层的热稳定性与纳米晶界的本征结构即存在大量的三叉晶界和界偶有关，由于三叉晶界和界偶的移动比普通晶界的移动更需要高的激活能，这就使纳米晶层具有了一定的热稳定性。
佟伟平口o]研究了SMAT纯铁和38CrMoAl表面纳米化层的热稳定性，结果表明表面纳米化层具有一定的热稳定性。
通过XRD和TEM观察纯铁在450℃退火6h后晶粒的变化情况，退火后晶粒尺寸比未退火前有所长大，晶粒大小为10～45nm，但仍小于100nm。
在高于500℃时这种稳定性丧失，晶粒长大。
对于38CrMoAl的试验显示400℃等温退火30h晶粒尺寸仍保持在30nm左右。