材料的疲劳强度受多种参数影响，如晶粒尺寸和残余应力等。细小晶粒能提高材料的屈服强度，延迟疲劳裂纹的起始；而粗晶粒材料由于其良好的塑性和韧性，对裂纹扩展有较好的抵抗能力。表面机械磨损处理（Surface Mechanical Attrition Treatment, SMAT）是一种能通过严重塑性变形（Severe Plastic Deformation, SPD）在材料表面层转化为纳米尺寸晶粒的技术。这种处理不仅能在材料表面形成纳米晶粒层，还能在内部形成粗晶粒基体，从而可能提高材料的疲劳强度。因此，来自法国University of Technology
of Troyes的Z. Sun等人探索了SMAT处理对316L不锈钢晶粒尺寸和低周疲劳行为的影响。图1显示了使用EBSD观察到SMAT处理后试样的微观结构。实验结果显示，在内部区域，SMAT明显没有改变晶粒尺寸，然而，与未经SMAT处理的材料相比，每个颗粒的颜色不再均匀。在表面部分，SMAT处理在316L不锈钢表面生成了新的更小的晶粒。如图2所示，SMAT处理在316L不锈钢表面生成了一个晶粒尺寸梯度，从表面到内部可分为三个主要区域：超细晶粒区（5μm以下）、中间区和边缘周边区。且在边缘区域存在较多孪晶。图3显示了SMATed样品半径内的平均晶粒取向分布。结果显示，，SMAT增加了从上表面到内部的晶粒内取向偏差，即使SMAT仅在非常局部的区域（约5 μm）改变晶粒尺寸，它也会在更大的区域内使材料发生塑性变形。在循环疲劳加载作用下，除了超细晶区域外，所有区域的GOS相对于卸载材料状态都有所增加。图4显示了疲劳试验前后SMATed试样边缘周边区域与SMATed试样中心区域的塑性滑移线。发现，在超细晶区，疲劳加载没有引起晶粒取向扩展的变化（图3(a)），这意味着循环加载几乎没有引发塑性滑移。这表明超细晶粒区的变形抗力较高，塑性变形难以发生。相反，在SMAT影响的塑性变形区域（包括中间区和边缘周边区），低周疲劳激活了新的滑移系统，晶粒取向分布增加。这表明这些区域在循环加载下发生了塑性变形。![]()
图1未受疲劳试验的SMATed试样横截面上的EBSD观察：(a)在外围区域观察到典型的微观结构，(b)机械影响区域显示三个不同的区域：(c)边缘外围区域，(d)中间区域和(e)超细晶粒区域。
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图2 (a)考虑和不考虑孪晶时不同区域的晶粒直径分布，(b) 不同区域的Σ3nCSL晶界分数。
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图3 (a)不同区域GOS分布计算：超细粒区（Ultra fG）、中间区(Inter A)，边缘外围区域（edge P），在SMATed状态(S)以及SMATed和疲劳状态（SF）的样本中心； (b) SMATed上表面约20 微米的GOS图（图右侧）； (c)超细晶粒区域GOS图。
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图4 IQ图：(a) SMATed样品中心没有塑性滑移线，这些滑移线出现在(b) SMATed样品的边缘外围区域，以及(c)疲劳加载后SMATed样品的边缘外围区域。 {111}平面轨迹用红叉表示。
本实验通过SMAT工艺对样品表面进行处理，以产生严重的塑性变形，形成纳米晶粒层。在室温下使用伺服液压试验机对SMAT处理后的样品进行低周疲劳测试。研究了经表面机械磨损处理后的316L不锈钢的微观结构变化和低周疲劳行为。通过这些研究，可以进一步提升对SMAT处理及其对材料性能影响的理解，并为相关工程应用提供更可靠的科学依据和技术支持。相关研究成果以“Experimental study of microstructure changes due
to low cycle fatigue of a steel nanocrystallised by Surface Mechanical
Attrition Treatment (SMAT)”为题发表在Materials Characterization上（Volume 124, February 2017, Article Number 117-121），论文第一作者为Z. Sun，通讯作者为D. Retraint。 文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.matchar.2016.12.017
