中文摘要：

以纯Fe作为基体，分别进行表面机械晶粒细化/纳米化过程中，渗N、渗Al和Zn-Al共渗实验；首先进行表面机械纳米化处理、然后再进行渗镀实验；表面机械纳米化处理后，进行63Ni放射性示踪实验；通过系统地表征试样截面的微观结构和残余应力等，计算在不同变形程度、温度条件下的扩散激活能、扩散系数等，研究纳米材料在平衡晶界和非平衡晶界的扩散特性、探讨晶粒细化过程中，塑性变形导致的界面能大小和残余应变对扩散激活能和扩散过程的影响，搞清楚1）纳米材料非平衡晶界的扩散特性及扩散机制；2）纳米材料平衡晶界与非平衡晶界相互转化对扩散过程的影响这两个基本的问题，为将表面机械晶粒细化技术应用于化学热处理领域奠定理论基础。同时，对研究固态相变、烧结、蠕变、冷变形后的回复和再结晶以及凝固、偏析等过程具有普遍的指导意义，也可以进一步地掌握纳米材料的扩散特性和规律，增进对纳米材料扩散过程的理解和认识。

结论摘要：

在表面晶粒细化与扩散同时进行的过程中，表面层的大塑性变形导致晶粒细化、缺陷增多，形成了具有高的界面能和残余应变的组织，促进扩散过程的进行。表面纳米结构层的扩散特性是这一过程中的决定因素。本项目的目的是通过热力学和动力学的研究，探讨表面纳米结构的扩散特性及扩散机制，更好地理解和掌握纳米材料的反应扩散特性，为改善传统的材料表面处理和制备加工工艺提供理论指导。本项目主要开展了机械纳米化表面反应扩散的动力学、热力学研究，探讨了机械纳米化表面涂层形成的机理，进一步研究了机械研磨对表面反应扩散的影响。通过机械研磨与粉末渗铝的实验研究，开展了温度、处理时间、成分等因素对表面扩散的影响研究，结果表明表面机械纳米化过程加速了在基体表面铝化物涂层的形成速度，并形成具有纳米结构的铝化物涂层。涂层的厚度随处理温度的提高而增加，呈线性关系；随处理时间的延长而增加，呈抛物线关系。涂层呈单层结构，组织致密、成分均匀、没有孔洞缺陷，主要由富铝的η-Fe2Al5相组成，与基体结合良好。涂层呈纳米结构，由20～80nm左右的等轴晶粒组成，大小均匀，具有较好的稳定性。纳米结构铝化物涂层可以显著提高抗高温氧化性能和抗高温硫化性能。采用热力学方法，建立了金属纳米粒子单位能量的变化（ΔW/W0）与纳米尺寸（R）的关系。能够较好地描述晶格畸变能、空位形成能与键能、扩散激活能及扩散系数等的变化规律，探讨了机械纳米化的统计热力学特性。在动力学和热力学研究的基础上，构建了机械纳米化的键能变化物理模型和表面机械纳米化反应扩散的物理模型，研究了表面扩散过程中的反应扩散特性和涂层形成机制。开展机械研磨促进钢基体表面渗氮层的形成、采用机械研磨及热扩散方法制备Ti-Al-304不锈钢复合板和机械研磨对Ti合金表面TiO2薄膜特性的影响等研究，研究了机械研磨对表面反应扩散的影响研究，探讨了相关机制。项目研究过程中，已经取得的成果有发表学术专著1部；在核心期刊先后发表研究论文21篇（标注项目资助），其中，SCI收录6篇，EI收录14篇；申请发明专利6项；培养了2名博士研究生，4名硕士研究生；11人次参加了学术交流。完成了本项目的研究内容，达到了预期取得的成果。2016年，本项目还将完成的主要成果有出版学术专著《纳米材料力学与热力学特性尺寸效应》（科学出版社）；发表SCI、EI收录论文3～4篇，申请发明专利2～3项。