纳米结构材料相比传统粗晶材料具有更高的强度,但是加工硬化能力、塑性和韧性显著降低,使得纳米结构材料的应用和发展受到了极大地制约。研究发现梯度纳米结构材料可以有效地克服纳米结构材料的性能缺点,能在提高材料强度的同时保持良好的塑性。本文针对梯度纳米结构圆棒样品的制备技术和性能特点进行研究,主要包括以下几个部分:(1)基于表面机械滚压处理(SMRT)技术设计了一款梯度纳米结构圆棒样品的自平衡制备装置。通过自平衡滚压装置使材料表面产生高应变速率的强烈塑性变形,从而细化晶粒,制备出梯度纳米结构材料。梯度纳米结构圆棒样品的自平衡制备装置主要包括普通车床、自平衡滚压装置、滚压压力系统和工作液循环系统。(2)制备了梯度纳米结构316L不锈钢样品,并对其进行性能表征。316L不锈钢母材中大部分为奥氏体,马氏体的体积分数约为3.6%。晶粒尺寸范围从18μm到222μm,平均晶粒尺寸为53μm。样品的外部梯度层(最大深度为50μm)主要由具有大量马氏体的梯度纳米结构层组成,平均晶粒尺寸从120 nm逐渐增加到260 nm。从50μm到250μm的深度,存在大量具有马氏体相变的超细晶,平均晶粒尺寸为260 nm。随着深度的增大,马氏体含量减小,马氏体含量在深度15μm处约为33%,148μm处约为21%。样品的显微硬度由表及里呈现梯度变化,芯部粗晶材料的维氏硬度在198HV左右,而距表层40μm处显微硬度可达440 HV,提高了122%。随着深度的增加,梯度层的纳米晶、滑移带和孪晶等逐渐减少,硬度逐渐降低,最终和芯部粗晶保持一致。样品的抗拉强度提高了约13%(从591 MPa到666 MPa),断裂延伸率降低了约25%(从114%到85%)。样品的表面粗糙度Ra小于0.1μm,轴向表面压缩残余应力可达-1500 MPa,环向表面压缩残余应力可达-700 MPa。(3)制备了梯度纳米结构310S不锈钢样品。在试验中,通过改变主轴转速和纵向进给速度来改变应变速率。进行了大量的试验后,优选出分别适合加工热处理和未热处理两种状态下的310S不锈钢的SMRT加工参数,成功制备出了梯度纳米结构310S不锈钢(热处理)和梯度纳米结构310S不锈钢(未热处理)两种样品。(4)梯度纳米结构310S不锈钢的性能表征。热处理样品:样品的表层晶粒尺寸明显减小,距边界约30μm范围内的晶粒用金相显微镜无法看清,影响层深度在1200μm左右;样品的抗拉强度提升了约27%,均匀延伸率下降了约24%,断裂延伸率下降了约23%;显微硬度在试样横截面的径向上呈梯度变化,距试样表层50μm处硬度值提高了约111%;样品的表面残余应力为压缩残余应力,其中轴向表面压缩残余应力可达-1700 MPa,环向表面压缩残余应力可达-700 MPa;样品的表面粗糙度Ra低至0.052μm。未热处理样品:随着SMRT加工次数的增加和SMRT工作压力的增大,试样的断口形状会发生改变,当最大SMRT工作压力达到910 N时,样品的断口形状由粗晶态时的杯锥状变为斜角状。最大SMRT工作压力为1200 N的梯度纳米结构310S不锈钢样品,抗拉强度提升了约9.7%,均匀延伸率下降了约5%;断裂延伸率下降了约5%;距样品表层50μm处硬度值提高了约78%;样品的梯度层厚度约1.2 mm,表面粗糙度Ra小于0.1μm。SMRT加工后样品的表面残余应力均为压缩残余应力,且随着SMRT加工次数的增加和SMRT工作压力的增大而增大。当SMRT加工次数达到12次,SMRT工作压力达到1200 N后,再增加SMRT加工次数、增大SMRT工作压力,表面压缩残余应力不再有明显变化。将制备好的试样磨去一定厚度的梯度层,进行残余应力检测和单向拉伸试验。随着磨去的厚度不断增加,样品的轴向表面压缩残余应力逐渐减小,抗拉强度不断减小,均匀延伸率不断增大,断口的形状从斜角状变为杯锥状。