材料表面自身纳米化的非平衡过程主要包括两种：热诱导过程和机械诱导过程。热诱导过程，即非平衡热力学法，是指将材料快速加热至表面温度达到熔点或相变温度点，然后骤冷，利用动力学的方式来提高形核率、抑制晶粒长大速率，从而在材料的表面获得纳米晶的结构。用于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[8]。机械诱导过程，即表面机械加工处理法是指金属材料表面在外加载荷的重复作用下，表面粗晶组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级。目前的表面纳米化研究多数集中于机械诱导过程导致的表面自身纳米化。

近年来，通过表面机械加工处理法已经成功地在不同金属材料上制备出表面纳米层，并对表面纳米层的组织结构及性能进行了一定的研究，所研究的金属包括纯铁[9]、铜[10]、钛[11][12]、低碳钢[13][14][15]、40Cr钢[16][17][18]等。表面机械加工处理法的核心在于往复强烈的塑形变形，所以能用循环往复的载荷使材料表面产生大塑形应变的机械处理技术都具有实现表面自身纳米化的潜力，如表面机械研磨法[19][20][21]、超音速颗粒轰击法[22][23]、凸轮辊压法[24]、气动喷丸法[25][26]和超声摩擦法等。

1.3 梯度纳米结构

1.3.1梯度纳米结构的定义与分类

梯度纳米结构是指材料的结构单元尺寸(如晶粒尺寸或层片厚度)在空间上呈梯度变化，从纳米尺度连续增加到宏观尺度[27]。这种结构也就是表面自身纳米化后材料所呈现的结构，所以这里不得不对梯度纳米结构进行介绍。

与不同特征尺寸结构简单混合或复合形成的结构不同的是，梯度纳米结构可以有效避免由特征尺寸突变引起的性能突变，从而使得具有不同特征尺寸的结构之间相互协调，并且表现出各特征尺寸所对应的多种作用机制，使材料的整体性能和使役行为得以优化和提高。

在相同化学成分和相组成的情况下，梯度纳米结构可分以下4种基本类型，如图1.2所示：

(1)梯度纳米晶粒结构：结构单元为等轴状(或近似等轴状)晶粒，晶粒尺寸由纳米至宏观尺度呈梯度变化[28]。

(2)梯度纳米孪晶结构：晶粒中存在亚结构—孪晶，晶粒尺寸均匀分布，而其中的孪晶/基体层片厚度由纳米至宏观尺度梯度变化[28]。

(3)梯度纳米层片结构：结构单元为二维层片状晶粒，层片厚度由纳米至宏观尺度呈梯度变化[28]。

(4)梯度纳米柱状结构：结构单元为一维柱状晶粒，柱状晶粒直径由纳米至宏观尺度呈梯度变化[28]。

(a)梯度纳米晶粒结构(b)梯度纳米孪晶结构(c)梯度纳米层片结构(d)梯度纳米柱状结构图

1.2梯度纳米结构的分类过去的研究表明，纳米梯度材料在提高材料耐磨性、突破“强度-塑性”倒置关系、提高疲劳性能、加速表面合金化、改善表面变形粗糙度和深加工性能等方面均有突破性的发现。1.3.2梯度纳米结构的制备与加工

目前,梯度纳米材料的制备方法分为梯度塑性变形和梯度物理或化学沉积方法两大类。介于本研究中采用的RASP制备技术属于梯度塑性变相技术的一种，所以在此处不详细介绍梯度物理或化学沉积方法，只介绍梯度塑性变形这一部分的原理。

塑性变形可以使金属材料内部产生大量的缺陷（如位错、晶界、孪晶界等），通过控制塑性变形条件的方法可以是晶粒细化至亚微米甚至纳米尺度。具体来说，晶粒细化就是通过塑性变形产生大量的位错，再通过位错之间交互作用来产生亚晶界和晶界，使粗大的晶粒逐步被切分为细小晶粒；当晶粒尺寸小到一定程度时，位错的产生与结构回复导致的位错湮灭相平衡，此时晶粒尺寸趋于稳定。在适当的变形条件下，低层错能金属材料内部可以产生大量孪晶，这些孪晶界可以将原始粗晶分割成纳米尺度厚的层片结构，如果进一步变形使这些纳米层片碎化，则会形成随机取向的纳米晶粒。 RASP纯钛表面获得梯度纳米结构(3):http://www.chuibin.com/cailiao/lunwen_205155.html