强流脉冲电子束是近年来发展迅速的一项新兴表面改性技术。基于以往的实验和理论研究结果以及本文对不同材料表面处理的探索，脉冲电子束对材料表面的改性处理可以分为三种模式，即“未熔”，“熔化”和“汽化”处理模式，它们分别取决于电子束轰击参数和被处理材料的物理性能。本文分别建立了材料在三种脉冲处理模式下的物理模型并给出了相应的模拟计算结果。在未熔模式下的模拟计算结果揭示了以下一些现象：1)脉冲电子束在材料表层诱发的准静态热应力具有各向异性特征，其大小约在数百MPa量级，足以在材料表层产生塑性变形；2)热应力波的幅值大约在数十kPa量级，因此可以忽略其影响。电子束轰击所诱发的热和应力循环可以在未熔模式下对材料表层产生强烈的改性效果。在熔化模式下的模拟计算结果揭示了以下一些现象：1)熔化开始于材料的次表层；2)熔化层厚度取决于材料的物理性质和脉冲处理参数，计算的熔化层深与实验结果符合较好；3)熔层的凝固速率约为几m／s。次表层熔化是产生火山坑和冲击热应力的一个重要原因，而快速凝固则使得熔化层均匀化并引发晶粒的特殊生长行为。在汽化模式下的模拟计算可以定量的描述汽化过程和汽化层厚度。以上的这些模型是理解脉冲电子束在材料表层诱发的各种特殊现象的有力工具。在实验方面，应用TEM，SEM，EBSD，XRD以及SNMS等表征手段系统的分析了电子束处理在不同金属及金属间化合物材料上诱发的表面改性，并进行了详细探讨。在三种处理模式下观察到的不同现象分别列于以下三个部分中。A)熔化处理模式下的主要结果如下：1．重熔层的均匀化。材料表层中的夹杂物是脉冲电子束轰击过程中表面火山坑形成的核心，其喷发使得表层获得选择性净化。因此，强流脉冲电子束是一种实现含夹杂材料表层均匀化的有效方法。2．超细晶和纳米结构的形成。通过非常快速的凝固过程和冷却过程中的固态马氏体相变，材料表层可以获得超细晶和纳米结构。本论文的结果显示了强流脉冲电子束实现材料表面纳米化从而获得高性能表面的巨大潜力。3．亚稳相的形成。脉冲电子束在材料表层诱发的超快速热循环可以产生亚稳相，特别是在各种钢的表层。例如脉冲电子束处理可在D2钢表层生成奥氏体并且由于尺寸效应和Cr、C的稳定化效应而保留至室温。4．特殊的凝固织构。脉冲电子束处理在D2钢表层凝固产生的奥氏体具有特殊的织构，即平行于样品法向的强<220>纤维织构和弱<200>纤维织构的混合，在NiTi合金表面则生成了平行于样品法向的强<110>纤维织构，同时晶粒间有较高比例的孪晶界，这些孪晶界在形成特殊凝固织构的过程中起到了重要作用。5．表面合金化。脉冲电子束表面合金化是提高材料性能的一种有效方法。预先涂覆的材料可以在熔化过程中被快速的熔入基体材料中，从而改变基材的表层结构、相组成和成分。6．次表层硬化。脉冲电子束诱发的冲击热应力波可以改变热影响区之外的材料结构和性能，例如可以在数百微米范围内使材料次表层产生硬化效果。B)脉冲电子束轰击所诱发的热和应力循环可以在未熔模式下对材料表层产生强烈的改性效果。在未熔模式下的主要结果如下：1．热应力循环的作用。脉冲电子束在材料表层诱发动态的热循环和伴随的应力场，由此产生的形变具有各向异性的特征。例如在316L不锈钢中，形变孪晶总是产生在<111>方向与法向接近的晶粒中。而在FeAl中，各向异性形变使得<100>方向与法向接近的晶粒表面低于其他晶粒。2．织构转变和晶粒细化。原始热挤压的FeAl具有较强的<110>纤维织构，经过脉冲电子束处理后转变为较弱而分散的<321>纤维织构。伴随织构的转变，我们还发现表层晶粒得到了细化。这两种效应都是由轰击过程中反复的形变和回复再结晶所造成的。3．表面净化。在未熔处理模式下，电子束同样可以净化颗粒强化材料的表层。例如在氧化物弥散强化的Fe（40at％）Al合金中，强流脉冲电子束处理可以在不熔化基体也不产生火山坑的基础上除去表层Y₂O₃颗粒。C)本文明确的指出了脉冲电子束在汽化模式下对材料表层的改性效果。在汽化处理模式下的主要结果如下：1．表面形貌转变。在汽化处理模式下，材料表面除了生成火山坑之外还会形成一种特殊的波纹状形貌。这种波纹形貌是由以下原因造成的：1)熔化和随后局部汽化不均匀2)表层液相在汽化过程中的变形。2．选择蒸发效应。脉冲电子束在汽化处理模式下对合金表层产生选择性蒸发效应，这是由于不同元素的蒸发速率不同的缘故。3．蒸发和重新沉积。在同一材料上的多次轰击可导致蒸发效果更强烈，一部分蒸汽将重新沉积到处理材料的表面上。在波纹状表面的小突起和圆形颗粒以及成分随深度的特殊分布可以证明蒸发和重新沉积的机制。4．特殊织构转变。在强流脉冲电子束汽化处理下NiTi表层由蒸发和重新沉积而生成了强的<110>纤维织构。与熔化模式下的形成的织构相比，沉积的晶粒大多是分立的，而聚集的晶粒间也没有孪晶关系。最后，本文探讨了在不同处理模式下强流脉冲电子束可能的应用。研究结果表明，在各种处理模式下，强流脉冲电子束技术均可有效的对金属及金属间化合物材料进行表面改性从而优化材料的性能。轰击在材料表层诱发非常快速的动态温度场和应力场，引起超快速加热、形变、熔化及可能的蒸发，而之后则伴随着表层的快速凝固和冷却，这些过程可以迅速有效的改变材料表面性能。例如，表面超细结构及亚稳态组织的生成和热应力诱发的应变强化可以提高材料的硬度和耐磨性能。表面选择净化和选择蒸发效应可以用来提高材料的耐蚀性。强流脉冲电子束还可以用来实现表面的快速合金化以及增强扩散等。总而言之，为了更好的发挥强流脉冲电子束在材料表面改性方面的应用潜力，需要根据不同材料对处理参数进行优化并选择最佳的处理模式。