1。1。1  表面涂层或沉积

这种方法首先需要通过其他的纳米材料制备方法制备出纳米颗粒，然后将制备的纳米颗粒固结在材料表面，形成纳米结构表层，如图1。1(a)所示[7]。目前纳米颗粒的制备技术已经比较成熟，因此纳米表层的晶粒尺寸容易得到控制。此外该方法制备的纳米表层厚度也较易控制。表层与基体之间存在着明显的界面，以及材料的外形尺寸的增加是该方法的主要缺点。因此，实现表层和基体之间牢固的结合以及纳米颗粒之间可靠的结合并且保证纳米颗粒不发生再结晶现象是这一制备方法的关键所在。PVD、CVD、溅射、电镀和电解沉积等均能运用于这种表面纳米化的方式。

      (a) 表面涂层或沉积  (b) 表面自身纳米化  (c) 混合方式

图1。1  表面纳米化制备方法

1。1。2  表面自身纳米化

表面自身纳米化是通过非平衡处理方法，利用材料表面自由能的增加，使粗晶组织逐渐细化为纳米尺度的晶粒。该方法能够在材料的表面直接进行纳米化，纳米化后的表层和基体的成分相同，基本上不会引入杂质，处理前后材料的化学性质也不会发生变化。表面自身纳米化后晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大，形成梯度结构，不存在界面，如图1。1(b)所示。由于表层和基体之间没有界面，所以表层和基体之间的结合性可靠，不会轻易剥离。非平衡处理方法包括表面机械加工处理法和非平衡热力学法。

（1）表面机械加工处理法：在外加载荷的反复作用下，材料表面自由能急剧增加，表面的晶粒发生强烈塑性变形，位错源开动，位错不断增殖、塞积形成亚晶界，然后变为小角度晶界，最终变为大角度晶界，从而起到将晶粒逐渐细化至纳米量级的作用。原理如图1。2所示，通过一定大小的硬化钢球随机地撞击材料表面，使材料表面发生强烈塑性变形。这一过程中，一方面表面发生局部强烈塑性变形产生大量的缺陷，当位错密度增至临界值，形成亚晶界。另一方面，随着温度的升高，表面组织将会发生再结晶，形成纳米晶。超声喷丸、表面机械加工技术和一些常规技术如普通喷丸、冲击和机械研磨产生的冲击均能够使材料表面发生强烈塑性变形[8]，并促使晶粒细化[9]。这种方法可以使材料表面的晶粒细化到纳米量级，形成梯度结构，并且基体和表面之间没有界面，结合十分可靠。另外，也不会引入杂质对材料性能和结构造成影响。论文网

图1。2  表面机械处理原理示意图

（2）非平衡热力学法：将材料快速加热至熔化或相变温度，再急剧冷却，通过动力学控制来提高形核率、抑制晶粒长大速率，可以在材料的表面得到纳米晶组织。 

1。1。3  混合方式

混合方式是将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时或形成后，进行化学处理，如图1。1(c)所示。处理后的表层与基体成分不同。材料表面纳米化使材料表面发生的强烈塑性变形会使材料中的缺陷如位错、孪晶等大量增加，最终晶粒的细化使得晶界体积分数明显增大。晶界成为原子快速扩散的通道，这就使得某些化学处理在较低的温度下便能够进行。

1。2  梯度结构材料性能

1。2。1  表层硬度梯度与耐磨性

由Hall-Petch关系可知，随着材料晶粒尺寸d减小，材料的强度和硬度升高。因此，梯度结构材料的强度和硬度随着晶粒尺寸的梯度变化也呈梯度变化。例如表层500μm厚的梯度纳米晶纯Cu样品[10]，表面层晶粒尺寸为十几纳米，硬度高达1。65GPa，而粗晶粒结构硬度只有0。75GPa。