《表1 超声冲击对材料表面性能的影响》

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《超声冲击纳米化的研究现状与进展》

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经过十多年的研究，超声冲击纳米化被证实可以提高材料的表层硬度、表面残余压应力、耐磨性等。表1中列出了部分材料在UNSM定参数处理后的表面特征因数。影响超声冲击处理效果的工艺参数主要有静荷载[25]、单位面积冲击次数[29]、振幅[30]等。由公式（1）可见，步进、试件转速、超声发生器频率决定了冲击次数，操作时配合适当的静荷载、超声振幅及冲击头，可以对材料表面拓扑形貌进行调控。表1显示，材料处理参数虽不同，但超声冲击普遍提高了材料的表层硬度和残余压应力。由于材料本身硬度的差异，冲击处理后粗糙度增大或减小的规律并不统一。平均粗糙度一栏括号里面的up和down表示粗糙度增加还是减小，横线表示未提及。硬度较低的材料在超声冲击处理后，表面平整度一般会大幅改善，引人注目的是3D打印材料的粗糙度会明显减小。根据Hall-Petch理论，超声冲击后，材料硬度随晶粒尺寸的增大逐渐降低；表层硬度的提升幅度因材料而异，304不锈钢由于相变甚至能达到基体硬度约2倍以上。残余压应力的规律与其他表面强化技术一致，由表及里逐渐减小，并在粗晶变形层与基体交汇处附近转变为拉应力；较大的静载荷、较多的单位面积冲击次数，可以获得更大的表面残余压应力。另外，Amanov等[31]与Qin等[32]均认为摩擦和磨损性能的提升主要归功于硬度的增加、粗糙度和表面孔隙的降低、残余压应力的提高以及波浪状的表面形貌。Lee等[33]发现在超声冲击头（碳钨化合物）中加入钴元素，可降低球头21%的摩擦系数，并大幅提高球头的摩擦性能，同时可减小超声冲击对材料表面的损伤。Shin等[34]对低碳钢板材两侧超声冲击处理后的拉伸性能进行了研究，结果显示，表面形成纳米晶后，屈服强度提升约1/3，延伸率下降幅度小于4%，说明强度提升时不会明显降低韧性。金属材料通常面临强度提升的同时塑性和韧性降低的问题，主要是由于单一作用下塑性变形不均匀所致。Ma等[35]提出通过冷轧和低温短时退火能在一定程度上改善此问题，这种处理方式可以给喷丸类表面纳米化工艺提供新思路。