图1 梯度纳米结构材料的组织特征

    一般来讲，梯度纳米结构在材料中可以有不同的存在形式。在大多数情况下，位于材料表面的通常是纳米结构部分，而粗晶结构则处于材料内部，这种形式的纳米结构表层能够充分发挥纳米结构的诸多优异性能，并且可以较大幅度地提高块体材料的表面性能和许多表面结构的敏感性能。此外，梯度纳米结构还有另外一种存在形式，那就是将纳米结构部分放置在材料的内部，相应的粗晶结构位于材料表面，这种形式的构型也有可能表现出某些较为独特的性质，不过人们对于其各方面的认知较少，还有待于之后的研究工作。

1。3  表面纳米化

    我们知道，如果工程结构材料长期处于服役环境下，其失效现象一般会始于表面，而材料表面的结构以及性能会对材料整体的各项性质（抗疲劳、抗腐蚀、耐磨性等等）产生很大的影响，因此，需要对材料表面组织进行优化，从而提高其整体性能以延长材料的服役期限。目前，备受人们关注的其中一种技术就是表面纳米化(Surface Nanocrystallization，SNC）。表面纳米化的概念是由卢科[4]等人于1999年提出的，其是指运用各种物理或者化学的方法细化材料表面层的粗晶粒直至纳米量级，得到一定厚度的纳米结构表层，而基体仍然保持原先的状态，从而改善材料的表面性能。我们通过对工程材料进行表面纳米化可以得到梯度纳米结构材料，可以说，表面纳米化技术的出现为人们研究提高金属工程材料的整体综合性能提供了全新的途径。

    表面纳米化不同于其它的纳米材料的制备方法，它一般是通过对材料进行常规的表面处理或者对表面处理技术作一定的改进来实现，对于所有金属材料都有普适性[5]。除此之外，材料经过表面纳米化后，其组织中的高性能纳米结构表层与基体之间的结构性能会沿着厚度的方向在空间上呈现梯度变化，这样一来二者之间便不再存在明显的界限，而材料在使用过程中也就不会因为各种因素发生剥层和分离现象[6]。

以上是表面纳米化技术出现的缘由以及其所具备的独特特点，接下来我们介绍表面纳米化材料的制备方法。就目前的研究来看，在块体粗晶材料表面上获取纳米结构层通常有三种基本方法[9]。具体来说，它们分别是表面涂覆或沉积法、表面自身纳米化以及混合法。论文网

表面涂覆或沉积法，如图2(a)所示，是指利用CVD、PVD、电镀、溅射和电解沉积等方式，实现表层与基体以及表层纳米颗粒之间的牢固结合，在这其中，后者也是整个工艺的关键步骤。

对于表面自身纳米化，如图2(b)所示，其概念提出较晚，但是与其它方法相比，表面自身纳米化拥有更为广阔的发展与应用前景，因此在这里作较为详细的介绍。我们如果想要利用表面自身纳米化的方法来使材料具有纳米结构表层，一般使用如下两种方式：表面机械处理和非平衡热力学法。表面机械处理会对材料施加一定的机械应力，在较长时间的持续作用下使得材料表面发生强烈的塑性变形并引发大量的缺陷，同时伴随着温度的升高，材料表面也会发生再结晶现象，继而形成纳米晶组织，即使得材料表面原本的粗晶粒细化到了纳米量级，实现了表面纳米化。其中，表面机械研磨法（SMAT）[10]、滑动摩擦法[11]和超声喷丸法（USSP）[12]应用较多，也较为成功。总体而言，由表面机械处理而引发的表面自身纳米化具备十分重要的开发以及应用潜力。非平衡热力学法是指在较短的时间内将材料加热至一定的温度，使得材料可以发生解体或者相变，随后再使材料快速冷却，并通过动力学控制材料的再结晶速率，以此在材料表面得到具有纳米结构层，实现材料的表面纳米化。对于这种方法，它的关键步骤在于迅速升温以及冷却过程，这一步骤必须严格把握，从而最终在材料表面获得纳米晶体，然而即便如此我们也很难精确地控制晶粒的尺寸以使其在空间上具备梯度结构，这也是非平衡热力学法与表面机械处理最明显的不同之处。因此，二者相比，我们更倾向于采用表面机械处理来实现表面自身纳米化。