文 献 综 述
1.引言
材料、信息和能源是现代三大国民经济和科学技术的支柱，而材料作为基础支撑着交通、电子信息、国防事业等各个领域的发展。当今新型材料不断涌现，但是金属材料依然在工业生产中扮演着不可替代的角色。随着材料检测技术的迅猛发展，材料研宄者们根据金属材料自身的特点，通过改进或创新工艺手段调控材料微观组织及结构，进而提高其综合性能，己成为当今热门研究方向之一。
晶粒尺寸是多晶材料中最重要的一项组织参数，对于金属结构材料，在低温(＜0.5Tm)变形时，由Hall-Petch关系:=0［1］可知，晶粒尺寸越小，材料的屈服强度越高；当高温蠕变机制作用时，细小的晶粒尺寸可以协调更快的应变速率从而提高材料的超塑性成型能力［2］，因此，细化晶粒是提高金属结构材料性能的一个重要途径。自1981年纳米材料问世后，纳米金属的力学性能研究一直是其研究热点，而其中最令人关注的则是纳米金属屈服强度与晶粒尺寸的关系是否依然符合Hall-Petch关系，因为根据H-P关系，理论上当晶粒尺寸从10mu;m减小至10nm时，金属材料的屈服强度将提高30倍以上。通常，传统的机械热加工细化得到的晶粒尺寸在微米级别，很难进一步将晶粒细化至超细晶［3］甚至纳米晶［4］，满足屈服强度测试条件的纳米金属块材试样制备十分困难，所以超细晶和纳米晶材料的制备和研究引起了世界各国材料科学家的广泛关注，其中变形机理及力学性能也成为纳米金属研究中的焦点和热点。
2.纳米结构金属
纳米金属材料是指金属单相或多相块体材料，其晶粒尺寸在纳米量级范围内(＜100nm)，特征在于晶粒尺寸小、缺陷密度高、晶界所占体积百分比高。纳米金属材料可以被认为是纳米晶粒和晶界两种组分组成的“界面材料”。但缺乏拉伸塑性和应变强化能力［5］，强度塑性匹配并不理想，塑形变形能力(＜5％)极大限制了匀质纳米结构金属的应用。
研究表明，通过表面剧烈塑性变形工艺［6，7］在金属材料表面制备梯度纳米结构，有效克服单一均匀纳米结构金属的性能缺陷，显著提升其塑性变形能力，实现金属材料力学性能的优化(图1)。Fang等［8］曾采用表面机械碾磨工艺(SMGT)制备梯度纳米结构纯铜棒材样品。样品表面为梯度纳米晶粒层(GNG)，层厚为150mu;m，沿梯度方向晶粒尺寸从20nm逐渐增大为300nm。样品芯部为粗晶结构(CG)，晶粒尺寸从500nm逐渐增大为几十微米。GNG表层具有较高的屈服强度(～660MPa)，比粗晶铜的屈服强度高一个量级，可以为梯度纳米结构整体贡献较高的强度。将GNG表层从梯度纳米结构中剥离，拉伸实验结果表明其均匀延伸率不到2％，证明其在没有约束的情况下不具备塑性变形能力。相反，当GNG表层附着在粗晶结构上时，其均匀延伸率高达31％，与均匀粗晶结构的均匀延伸率相当。从力学的角度分析，芯部的粗晶结构对GNG表层的塑性变形起到了约束作用，可以有效抑制GNG表层中应变局域化(如颈缩或裂纹萌生)的产生，提升GNG表层的拉伸塑性。
图１ 梯度纳米结构、均匀纳米结构和均匀粗晶结构的强韧性能对比(强度与杨氏模量比值定义为等效强度，均匀延伸率定义为拉伸塑性)［9］
Fig.1 Comparison of strength and ductility among gradient nanostructure，uniform nanograined structure and uniform coarse-grained structure.Effective strength and tensile plasticity are defined as yield strength divided by Young，s modulus and uniform elongation，respectively［9］
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