导读:梯度结构可以通过异质性的协同作用显著增强钢的耐磨性。然而，传统的表面异质结构通常会产生单一的梯度。由此研究人员提出了一种新的策略，实现成分和纳米晶的双梯度结构，从而通过抑制应变局部化来提高轴承钢的耐磨性。通过渗碳预制的成分梯度有助于形成梯度分布的碳化物和马氏体，而纳米晶梯度则通过超声波喷丸进一步发展。强烈的位错运动促进了表层中大尺寸不规则碳化物的细化和分解，显著减轻了应力局部化引起的裂纹的萌生和扩展。此外，表层中的众多纳米晶粒不仅有助于在油润滑下形成更稳定和致密的氧化膜，而且还通过共同共享循环剪切应力创造了一个更分散的应力局部区域，从而减轻了滑动引起的微观结构不稳定性。此外，由于硬层和软层之间的相对逐渐过渡，单一成分梯度结构在加载过程中倾向于表面应变局部化，而双梯度结构由于存在大量纳米晶粒而促进表面应变离域，从而产生更明显的应变梯度。与单一成分梯度相比，独特的双梯度结构在低频和高频滑动时分别降低了 52.5% 和 53.9% 的磨损率。这项工作提出了一种很有前途的设计，用于制造双梯度结构以增强高强度钢的耐磨性
在当代工业和工程领域，机械部件的
滑动摩擦行为是一种普遍现象，不仅显著增加了能源消耗，还限制了其性能和使用寿
命。例如，在航空发动机轴承和齿轮中，这些部件的失效主要归因于摩擦过程中应变局部化引起的表面磨损，而不是滚动接触产生的亚表面应力。因此，修改微观结构以抑制表面层中的应变局部化，作为增强材料耐磨性的一种策略，可以产生可观的经济效益。
通过评估粗晶和纳米晶粒材料相对于其耐磨性的优缺点，开发梯度材料已成为实现卓越耐磨性的一种有前途的策略
。迄今为止，已经探索了各种方法来制造梯度材料，包括表面热或热化学处理、电解沉积和表面机械处理.对于 M50NiL 轴承钢，由于其成熟的技术，渗碳是应用最广泛的表面处理方法之一，因为它不仅有助于形成具有高表面硬度的更厚的成分梯度结构，而且还促进形成精细的高碳马氏体和硬质合金，从而提高耐磨性，
然而，表层中的高碳含量通常会导致形成许多大尺寸的不规则碳化物 （LIC），这些碳化物难以管理，并会引起严重的应力定位，对摩擦学性能产生不利影响。
因此，引入有效的表面改性技术来解决这些问题可以克服轴承钢的当前局限性并进一步提高其耐磨性。
碳化物在暴露于严重的塑性变形时可能会发生分解，其尺寸、形态和基体的机械性能是影响这种行为的主要因素
。以前的研究已经证明，表面机械处理可以产生梯度纳米晶结构（GNS），其特征是沿深度从纳米晶逐渐过渡到亚微米和微米晶粒。
这些处理也会显著影响 GNS 层内的碳化物。例如，在均质材料中，报道了通过超声波喷丸处理（USP）在M50钢表面形成厚度超过200 μm的GNS层，这也导致了碳化物分解。与收到的样品相比，磨损量在磨损测试 4 小时后减少了 94.9%。
研究揭示了Cu-Ag合金中的GNS层可以显著降低高载荷干滑下的摩擦系数（COF），从0.64（在粗晶样品中）降低到0.29，这一变化归因于GNS层内的应变离域。因此，受梯度碳含量和纳米晶结构优势的启发，通过在轴承钢中制造具有组合梯度的非均质结构，可以实现卓越的耐磨性。这种方法可能是一个很好的应对策略，再加上轴承钢在表面微观结构和应变定位方面遇到的挑战。然而，在轴承钢中制造这种双梯度结构仍然很少见，并且
与 GNS 层相结合的组合梯度结构中增强耐磨性的机制
尚未系统探索。
在这项研究中，研究人员通过渗碳开发了航空发动机中使用的 M50NiL 轴承钢的碳含量梯度。利用该梯度作为前驱体，我们通过进一步的 USP 处理成功制造了厚度为 400 μm 的双梯度结构，与单一成分梯度相比，该结构表现出更强的耐磨性。此外，通过微观结构演变和应变-应力分布分析，阐明了增强耐磨性的潜在机制。这项工作为制造双梯度结构提出了一种很有前途的设计，旨在提高高强度钢的耐磨性。
有关此课题，中国科学院金属研究所及中国科学技术大学的研究人员们对此进行了深入研究，相关研究成果以题为Dual-gradient structure enhances wear resistance of aero-engine bearing steel by suppressing strain localization发表在Acta Materialia上
链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645425002113
图 { SEQ 图 \* ARABIC |1}.样品的横截面梯度微观结构。（a， b， c， d） CG 和 （e， f， g， h） CNG 样品的 SEM 图像以及 IPF、GB 和 KAM 图。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |2}.统计 EBSD 结果的比较分析。（a） LAGB 和 HAGB 的密度。（b） 平均晶粒尺寸。（c） KAM 平均值。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |3}.CNG 样品的 TEM 图像。在 （a， d） 10 μm、（b， e） 75 μm 和 （c， f） 195 μm 深度处观察到的明场和 SAED 图像。（g、h、i）相应深度的粒度分布直方图。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |4}.在 10 μm、75 μm 和 195 μm 深度观察到的碳化物分布的 SEM 图像。（一、三、五）CG 样本。（b、d、f）CNG 样本。（A1、A2、A3）（a） 中 Mo、V 和 Cr 的元素分布图。
图 { SEQ 图 \* ARABIC |5}.在 10 μm、75 μm 和 195 μm 深度观察到的碳化物分布的 SEM 图像。（一、三、五）CG 样本。（b、d、f）CNG 样本。（A1、A2、A3）（a） 中 Mo、V 和 Cr 的元素分布图。
