超声冲击处理后表面梯度纳米结构S30408抗疲劳性能研究

王志成* 周 云 郑杨艳 陈 岑 王一宁

（江苏省特种设备安全监督检验研究院）

0 前言

工程材料的表面结构和性质对材料的力学性能有较大影响，工程材料的多种失效形式（如疲劳、腐蚀等），常起源于材料表面[1]。因此，优化材料的表面状态能够有效地提高其整体力学性能。表面纳米化技术（Surface Nano-Crystallization）指通过表面改性的方式使材料表面产生纳米结构表层。因为纳米晶体金属具有优异的力学性能，表面纳米化后的结构材料力学性能可以得到很大提升[2]。

作为表面纳米化技术的一种，塑性变形表面自纳米化技术具有使纳米表层连接强度高，且不改变材料化学成分等优点，因此在工程材料领域特别是金属材料中得到了广泛的应用[3]。塑性变形表面自纳米化后，可以获得一种“纳米金属表层—过渡层（晶粒尺寸梯度变化）—粗晶基体结构”的材料，又称为梯度纳米结构（Gradient nano-grained on the coarse-grained substrate，GNG/CG）材料[4]。表层梯度纳米结构能够提高材料的强度、抗疲劳、抗磨损性能，同时保持较好的塑性变形能力[5]。大量研究表明，梯度纳米结构表层能够提高材料的抗疲劳性能，但是其结构参数（如表层晶粒的尺寸、晶粒沿厚度方向的变化率等）对疲劳裂纹的萌生、扩展以及材料最终的抗疲劳性能有着不同程度的影响，相关研究较为缺乏[6]。同时，了解这些参数对材料性能的具体影响可以为材料表面纳米化技术的参数选择，材料的表层结构优化、设计等过程提供指导。

纳瓦罗-里奥斯(Navarro–Rios)模型以位错连续分布理论为基础，能够有效预测疲劳短裂纹的扩展行为[7]。……