本发明属于金属材料表面强化与改性技术领域，具体为一种脉动冲击协同多向旋转滚压制备板材梯度纳米晶的方法。
背景技术：
在服役环境下，金属材料的失效大多源于其表面，材料的疲劳、腐蚀和磨损都对其表面组织结构和性能十分敏感。近年来的研究发现，表面纳米化技术能够在金属材料表层制备出一定厚度的梯度纳米结构层，有效改善了材料的整体力学性能和使役行为。表面纳米化技术是材料表面改性技术的一种，即采用各种物理化学方法促使金属材料表面产生纳米量级的晶粒层，在不影响基体性能的情况下极大提高材料表面性能的技术。表面纳米化技术是表面工程的重要分支，是先进制造业发展的基石，因此在学术界和工程上都受到广泛地关注和重视。
目前，实现金属材料表面纳米化的途径主要有三种：表面涂层或沉积纳米化、表面自身纳米化以及混合纳米化。表层涂层或沉积纳米化是将已制备完成的纳米尺度的颗粒固结在金属材料表面，形成一个与基体结构成分相同或者不同的表层，常用的方法有cvd、pvd、溅射、电镀及电解沉积等。这种方法的缺点是存在纳米表层与基体结合不紧密的问题。表面自纳米化分为非平衡热力学法和表面机械加工处理法，两种方法的共同点都是采用非平衡处理方法增加金属材料表面的自由能，使表面粗晶组织逐渐细化至纳米量级，而材料内部仍保持为粗晶组织，进而使晶粒组织尺寸沿材料深度方向呈梯度变化。其中，非平衡热力学法有电子束照射处理法、爆炸结合激光表面处理法等；表面机械加工法有表面机械研磨处理法（smat）、超声喷丸法（ussp）、高能喷丸法（hesp）、快速多向旋转滚压法（fmrr）等。混合方式就是将表面纳米化技术与化学处理相结合，形成与基体成分不同的固溶体或化合物。三种处理途径中，表面自纳米化技术具有操作简单、成本低、容易实现等优点，并且表面自纳米化处理的金属材料表层结构致密且与基体结构成分相同，不会发生剥落分离，另外表面自纳米化处理技术可在材料表层注入有益的残余压应力，有效提高了材料的疲劳性能。
在表面自纳米化技术中，表面机械加工方法是通过冲击载荷和挤压载荷使金属材料表层局部区域发生剧烈的塑性变形从而导致晶粒组织结构细化。在冲击载荷作用下，材料表面粗糙度会显著增大，不利于材料的表面完整性。因此有研究人员提出了先冲击后滚压，减小表面粗糙度。然而，在挤压载荷下，尤其对于传统的滚压技术，如果不大量增大滚珠的静压力，材料表面纳米化的效果就不明显。因此，本发明提供的一种脉动冲击协同多向旋转滚压制备板材梯度纳米晶的方法就是在冲击载荷作用的同时进行多向旋转滚压，这样不仅增大了材料表层的累积塑性变形，更能够有效增强材料表层的动态塑性流动，从而显著提高了材料表面纳米化效果。
技术实现要素：
针对金属材料表面自纳米化技术中表面机械加工方法，冲击载荷会增大材料的表面粗糙度，先冲击后滚压的处理方法不仅成本高、周期长而且操作流程繁杂，以及传统滚压技术表面纳米化效果不明显等问题，本发明提供的一种脉动冲击协同多向旋转滚压制备板材梯度纳米晶的方法，在冲击载荷作用的同时进行多向旋转滚压，结合两种加载方式的优点，不仅增大了材料表层的累积塑性变形，更能够有效增强材料表层的动态塑性流动，从而显著提高了材料表面纳米化效果。
本发明采用的技术方案如下：一种脉动冲击协同多向旋转滚压制备板材梯度纳米晶的方法，其特征在于：通过高强度钢制的撞针以高频脉动式的冲击方式冲击金属板材表面，同时采用快速多向旋转滚压方式对冲击后的板材表面进行滚压处理，致使板材表层发生剧烈的塑性变形，诱导其表面自身纳米化，从而制备出梯度纳米晶。
进一步的，所述高强度钢制的撞针具有高强度和高硬度，在冲击金属板材表面过程中几乎不发生变形。
进一步的，所述金属板材为纯金属或合金材料。
进一步的，所述撞针的脉动冲击频率f与板材的移动速率vb和撞针直径d相关，f>vb/d。
进一步的，所述旋转滚压的速率vr（单位：转/秒）与撞针的脉动冲击频率f和滚珠的个数m有关，vr>f/m。
进一步的，所述制备梯度纳米晶的过程是动态载荷过程，材料的应变速率为10^3s-1以上。
进一步的，所述制备梯度纳米晶的过程是金属板材表面自身纳米化的过程。
进一步的，该方法具体步骤为：
（1）确定金属板材的行进方向和路线：沿板材长度方向行进，或者沿板材宽度方向行进；行进的路线为平行同向，或s形反向。
（2）确定撞针的脉动冲击频率和冲击速率：保持板材和滚珠静止状态，采用撞针冲击板材，调试撞针的脉动冲击频率和冲击速率，致使材料表层发生纳米化。
（3）确定多向旋转滚压的旋转速率和静压力：保持板材和撞针静止状态，调试旋转滚压的旋转速率和静压力，致使撞针冲击后的板材在滚压作用下恢复平整。
（4）确定板材的行进速率：在一定范围内调试板材的行进速率，致使板材表层产生均匀分布的梯度纳米晶。
（5）根据确定的参数，对金属板材进行脉动冲击与多向旋转滚压的组数处理。
（6）完成制备板材的梯度纳米晶，整个脉动冲击与多向旋转滚压组合处理过程结束。
本发明的优点及有效效果:（1）表面纳米化处理周期短，脉动冲击与多向旋转滚压同时进行，大量缩减了先冲击后滚压的操作周期。（2）表面纳米化效果更加显著，在冲击载荷和挤压载荷的协同作用下，不仅增大了金属材料表层的累积塑性变形，而且能够有效增强材料表层的动态塑性流动。（3）减小了材料的表面粗糙度，在多向旋转滚压作用下，材料的塑性流动会将材料表面凸起的部分填充其凹陷的部分。（4）材料表面细化的梯度纳米晶分布均匀。
附图说明
图1为本发明的结构简单示意图。
图2为本发明的在撞针冲击速率为3m/s下单次冲击所致的等效塑性应变图和细化晶粒尺寸图。
图3为本发明的在单次冲击作用后滚珠下压3mm单次滚压所致的等效塑性应变图和细化晶粒尺寸图。
图4为本发明的在单次冲击作用后滚珠下压3mm两次滚压所致的等效塑性应变图和细化晶粒尺寸图。
图5为本发明的在撞针冲击速率为5m/s下单次冲击所致的等效塑性应变图和细化晶粒尺寸图。
图6为本发明的在单次冲击作用后滚珠下压5mm单次滚压所致的等效塑性应变图和细化晶粒尺寸图。
图7为本发明的在单次冲击作用后滚珠下压5mm两次滚压所致的等效塑性应变图和细化晶粒尺寸图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详述本发明。
本发明为一种脉动冲击协同多向旋转滚压制备板材梯度纳米晶的方法，该方法单次冲击过程为：冲击动力源驱动撞针高速冲击金属板材的表面，同时对板材受冲击的局部区域进行多向旋转滚压处理，在冲击载荷和挤压载荷的协同作用下板材表层发生剧烈的塑性变形，进而发生表面自纳米化，制备出梯度纳米晶。
该方法中所采用的撞针相对于板材应具备较高的强度和硬度，所处理的板材材料为金属或合金材料。
该方法需要调节的主要参数有：撞针的脉动冲击频率和冲击速率，多向旋转滚压的旋转速率和静压力，以及板材的移动速率。通过调节脉动冲击频率和冲击速率使板材在冲击载荷下发生表面自纳米化，调剂多向旋转滚压的旋转速率和静压力使板材在滚压作用下发生表面自纳米化并减小板材的表面粗糙度，调节板材的移动速率使制备的梯度纳米晶在板材表面分布均匀。
实施例1
（1）保持板材静止状态，调节撞针参数（脉动冲击频率和冲击速率）：例如冲击速率为30m/s，撞击aisi4340钢所致的最大等效塑性应变为0.11，细化的最小晶粒尺寸为258.8µm，如图2所示。
（2）保持板材静止状态，调节多向旋转滚压参数（旋转速率和静压力）：例如旋转速率为5m/s，在静压力作用下滚珠下压3mm，单次滚压冲击区域的等效塑性应变和晶粒细化尺寸如图3所示，显然可见，相对于单独冲击工况，在冲击载荷和滚压载荷的协同作用下，板材累积的塑性变形增大，细化的晶粒尺寸减小。
（3）保持板材静止状态，在多向旋转滚压参数为旋转速率为3m/s，滚珠下压3mm的工况下，两次滚压冲击区域的等效塑性应变和晶粒细化尺寸如图4所示，显然可见，相对于单次旋转滚压工况，两次旋转滚压所致的等效塑性应进一步增大，细化的晶粒尺寸进一步减小。
（4）调节板材的移动速率，使靶材表层所致的梯度纳米晶分布均匀。
实施例2
（1）保持板材静止状态，调节撞针参数（脉动冲击频率和冲击速率）：例如冲击速率为50m/s，撞击aisi4340钢所致的等效塑性应变和晶粒细化尺寸如图5所示，相当于冲击速率为30m/s的工况，冲击速率为50m/s所致的等效塑性应变增大，细化的晶粒尺寸减小。
（2）保持板材静止状态，调节多向旋转滚压参数（旋转速率和静压力）：例如旋转速率为5m/s，在静压力作用下滚珠下压5mm，单次滚压冲击区域的等效塑性应变和晶粒细化尺寸如图6所示，显然可见，相对于滚珠下压3mm的工况，滚珠下压5mm所致的塑性变形增大，细化的晶粒尺寸减小。
（3）保持板材静止状态，在多向旋转滚压参数为旋转速率为5m/s，滚珠下压5mm的工况下，两次滚压冲击区域的等效塑性应变和晶粒细化尺寸如图7所示，显然可见，相对于单次旋转滚压工况，两次旋转滚压所致的等效塑性应变进一步增大，细化的晶粒尺寸得到进一步减小。
（4）调节板材的移动速率，使靶材表层所致的梯度纳米晶分布均匀。