在我國眾多卡脖子難題中，高性能金屬材料占據一席之地。不論是汽車、光電器件、生物醫學、3D打印，還是航空航天關鍵設備，都離不開高性能金屬材料的發展。
厘清金屬材料的失效機制，并提供切實可行的處理方法，可以有效提高金屬材料的服役壽命。
多年來，由應力和磨損引起的表面裂紋和缺陷一直是導致大多數金屬材料失效的主要問題。這些失效行為通常源自材料表面，并逐步向材料內部傳播，最終影響材料的力學性能。然而，隨著表面納米結晶技術的發現，材料的早期失效行為大多數得到了改善。
表面納米化
表面納米化是盧柯院士與呂堅院士共同創始的合作研究。大量研究表明：通過在材料表面生成新的納米晶層可進一步避免裂紋和缺陷，并顯著地改善材料整體性能。
通常來講，納米晶材料的制備主要包括三類：
第一類表面納米化技術：體外納米化。
始于納米尺度的顆粒。納米尺度顆粒可以通過PVD、CVD、電化學、水熱晶化和析出等方法制備（圖1.a）。這些納米尺度的顆粒可通過特定的技術整合為塊體材料，其中每個顆粒代表一個納米晶晶粒。相關研究成果包括最近獲得未來科學大獎的盧柯院士團隊的多篇Science文章（電鍍納米孿晶），以及呂堅院士組Nature封面文章的PVD超納材料：
[1] K. Lu, J. Lu, Surface nanocrystallization (SNC) of metallic materials - presentation of the concept behind a new approach, J. Mater. Sci. Technol., 15 (1999), pp. 193-197.
[2] L. Lu, Y. Shen, X. Chen, L. Qian, K. Lu, Ultrahigh Strength and High Electrical Conductivity in Copper, Science, 304 (2004), pp. 422-426.
[3] L. Lu, X. Chen, X. Huang, K. Lu, Revealing the maximum strength in nanotwinned copper, Science, 323 (2009), pp. 607-610.
[4]. G. Wu, K. Chan, L. Zhu, L. Sun, J. Lu, Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys, Nature, 545 (2017), pp. 80-83.
第二類表面納米化：SMAT與SMGT工藝。
始于材料塑性變形。自納米材料概念提出以來，材料學家就開始嘗試利用材料塑性變形方法制備納米結構金屬材料。與其他制備納米材料的方法相比，塑性變形方法具有適用材料類別廣、樣品尺寸大、不易引入孔隙和污染等突出優點。從上世紀90年代起，塑性變形制備技術及其制備的納米金屬材料得到了廣泛的研究，目前塑性變形已發展成為一種制備納米金屬材料的有效方法（圖1.b），并相繼發展了多種制備超細晶和納米結構材料的變形技術。值得注意的是，表面機械研磨 （SMAT）和表面機械碾壓（SMGT）可以在塊體材料表層實現高應變梯度的塑性變形，從而實現表面納米化。
[1] N.R. Tao, M.L. Sui, J. Lu, K. Lu, Surface nanocrystallization of iron induced by ultrasonic shot peening, Nanostruct. Mater, 11 (1999), pp. 433-440
[2] N.R. Tao, Z.B. Wang, W.P. Tong, M.L. Sui, J. Lu, K. Lu, An investigation of surface nanocrystallization mechanism in Fe induced by surface mechanical attrition treatment, Acta Mater., 50 (2002), pp. 4603-4616
[3] T. Fang, W. Li, N. Tao, K. Lu, Revealing extraordinary intrinsic tensile plasticity in gradient nano-grained copper, Science, 331 (2011), 1587
第三類表面納米化：綜合化學、熱力學或冶金學方法制備具備不同化學成分或不同相結構的納米晶（圖1.c）。
代表作是曾經被評為中國科技十大科技新聞2003年盧柯院士團隊與呂堅院士團隊在Science上共同發表的低溫滲氮工作。
[1] W.P. Tong, N.R. Tao, Z.B. Wang, J. Lu, K. Lu, Nitriding iron at lower temperatures, Science (2003), pp. 686-688
迄今為止，與其他形式的表面納米晶工藝相比，表面機械研磨處理(SMAT) 已被廣泛認為是通過在材料表層生成納米晶梯度結構而不破壞其固有化學成分來改善材料微觀結構和力學性能的新技術。
有鑒于此，Nano Materials Science主編、香港城市大學呂堅院士綜述了SMAT領域22年的發展進程，從力學性能的角度，回顧了有效的SMAT方法對材料性能的影響，具體包括：
1）總結了近年來報道的SMAT材料的力學性能，包括硬度、強度、延伸率及殘余應力。
2）介紹了不同形式的表面納米晶，以更好地了解SMAT工藝及其相對于其他形式表面處理的優勢。
3）分析了SMAT納米晶層的晶粒細化機制。
4）詳細討論了SMAT工藝對材料疲勞、斷裂和磨損的影響。
5）介紹了SMAT在汽車、光電轉換、生物醫學、擴散和3D打印方面的應用前景。
6）總結SMAT工藝制備較高力學性能材料的應用前景和研究趨勢。
圖1. 3種不同表面納米晶的生成示意圖（a）表面涂層或電鍍；（b）應變誘導納米晶；（c）相變（化學成分）誘導納米晶
SMAT工藝的晶粒細化機制
下表總結了不同金屬結構材料（fcc、bcc和hcp）的主導晶粒細化機制，可以看出，不同材料的晶粒細化機制與其層錯能密切相關。研究表明，層錯能的高低很大程度上決定了位錯的交滑移能力。當層錯能較低時，材料中位錯的運動受到限制，孿生在變形中起到關鍵作用；而當層錯能較高時，材料更多的通過位錯滑移進行變形。例如：具有中等層錯能Cu的晶粒細化受到孿晶和位錯活動的共同作用，具有低層錯能金屬的晶粒細化往往受到馬氏體相變和變形孿晶的控制，而層錯能較高的立方金屬或合金以位錯活動為主。
SMAT工藝材料的力學性能
近年來，SMAT工藝制備材料的微觀結構和力學性能得到了大量的研究。本節將從力學性能方面，包括：（1）硬度，（2）拉伸強度和延伸率，以及（3）殘余應力行為，來回顧SMAT制備表面納米結構材料的工作。
圖2 不同材料經SMAT處理后的硬度隨深度的變化
（a）316L不銹鋼；（b）H12鋼；（c）321不銹鋼；（d）Ni合金；（e）鎂；（f）鐵；（h）銅
圖3 不同材料的拉伸曲線
（a）316L不銹鋼；（b）Ti；（c）Cu；（d）C-2000合金
圖4 鎂基超納雙相結構材料的力學性能
（a）工程應力-應變曲線；（b）不同納米晶合金的抗拉強度與楊氏模量關系圖
SMAT工藝對材料疲勞性能的影響
值得注意的是，SMAT工藝可在材料表面形成壓應力，從而提高材料的疲勞強度。在變形過程中，材料表面形成的納米晶結構層可有效阻礙位錯的運動，并延緩裂紋的萌生。如圖5所示，在低周疲勞(LCF)區域，SMAT工藝可同步提升疲勞壽命和疲勞強度，在高周疲勞(HCF)區域，這一現象更加明顯。
圖5 SMAT處理樣品的疲勞性能和殘余應力
（a）疲勞強度；（b）樣品深度方向的殘余應力分布；（c）力學性能和退火時間的關系；（d）SN圖
SMAT工藝對材料斷裂性能的影響
斷裂是涉及孔隙或裂紋萌生、擴展和合并的復雜現象。SMAT工藝對材料斷裂性能的研究如圖6所示。在變形過程中，幾乎全部的粗晶基體發生了斷裂，只有靠近表面的納米結構和超細晶層承受住了載荷。
圖6 SMAT樣品斷裂過程的初期（a）、中期（b）、后期（c）及整個斷裂過程（d）的示意圖
小 結
本文詳細分析了SMAT工藝對材料力學行為（硬度、拉伸強度、延伸率、殘余應力、疲勞及斷裂）的影響，總結了不同金屬結構材料（fcc、bcc和hcp）的主導晶粒細化機制，歸納了基于SMAT的表面納米晶材料的發展趨勢：
1）梯度納米結構工藝已被成功應用于具備高性能的小尺寸結構件，如作為MEMS應用的基礎材料。
2）由于原子擴散反應的大幅增強，表面納米晶層被廣泛應用于多功能性表面結構。
3）隨著對納米晶層性質和加工研究的不斷深入，這種新技術在升級傳統工程材料和工業技術的潛力巨大。
參考文獻：
T. O. Olugbade, J. Lu, Literature review on the mechanical properties of materials after surface mechanical attrition treatment (SMAT), Nano Materials Science, 2 (2020) 3–31.
https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2020.04.002
呂堅教授簡介
法國國家技術科學院院士，香港城市大學機械工程講座教授, 副校長（研究與科技），周亦卿研究生院院長，Nano Materials Science主編，香港力學學會前理事長，香港材料研究會理事長。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，實驗力學與塑性力學，先進運載機械系統及能源系統設計。曾任法國機械工業技術中心 (CETIM) 任高級研究工程師和實驗室負責人。法國特魯瓦技術大學機械系統工程系主任，法國教育部與法國國家科學中心（CNRS)機械系統與并行工程實驗室主任，香港理工大學機械工程系系主任，講座教授，兼任香港理工大學工程學院副院長，香港城市大學科學與工程學院院長。目前，已取得32項歐、美、中專利，在包括在本領域頂尖雜志Nature(封面文章)，Science，Nature Materials, Nature Communications，Science Advances，Materials Today，Advanced Materials，Advanced Functional Materials，PRL，Acta Materialia，JMPS等SCI雜志發表論文360余篇，引用25000余次（Google Scholar)。2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院298位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。
Nano Materials Science由重慶大學主辦，ScienceDirect全文開放獲取，2019年3月創刊，季刊，主要關注納米結構材料和納米功能材料的制備與加工、材料基因表征、材料性能評價及應用，以及納米器件的設計、制備、加工、評價及應用等方面最新研究成果。
NMS由香港城市大學呂堅院士任主編，20個國家132名頂尖學者擔任編委，其中院士17位：結構材料領域專家呂堅院士、方岱寧院士、郭萬林院士、張統一院士、魏悅廣院士，納米力學專家楊衛院士，納米表面技術領域專家高唯院士，金屬材料領域專家Ruslan Z Valiev院士、Niels Hansen院士、Dorte Juul Jensen院士，結構復合材料領域專家Yiu-Wing Mai院士，高分子材料領域專家王琪院士，無機非金屬領域專家周濟院士，碳納米材料專家成會明院士，石墨烯領域專家Rodney S Ruoff教授，材料科學晶體結構專家張澤院士等。
NMS旨在搭建納米材料科學學術交流平臺，已被DOAJ和INSPEC收錄，出版7期，刊發成果已被60個國家、206種SCIE期刊引用報道，歡迎各位專家學者關注、投稿和交流。
https://www.sciencedirect.com/journal/nano-materials-science
