AISI420马氏体不锈钢和5140合金钢是目前加工制造航天飞行器中的机构或结构最常用的金属材料。当航天飞行器在空间服役过程中,通常,绝大部分航天机构部件需要布局于航天器舱外,例如伸展机构、制动器、压紧释放机构、铰链机构等等。由于这些机构需要运动,很难在其外部添加防护装置。因此,不可避免会遭到带电粒子的辐照。其中质子辐照对AISI420马氏体不锈钢和5140合金钢的微观组织、力学性能的作用影响和损伤程度,需要进行表征和评价。基于上述原因,本文以AISI420马氏体不锈钢和5140合金钢为对象,用哈尔滨工业大学的正离子辐照模拟试验仪器,开展模拟空间环境的质子辐照试验。分别研究了退火态、600°C和700°C回火处理的AISI420马氏体不锈钢与经过480°C、520°C和560°C回火的5140在三种不同累计注量的质子辐照后,其微观组织、宏观力学性能与纳米力学性能的演化规律及其作用机理。用X-射线衍射分析了热处理与质子辐照对两种钢相组成的影响;用透射电子显微镜分析了调质热处理与质子辐照对两种钢表面层附近的微观组织演变的作用与影响。用Instron5982万能材料试验机测试了两种钢的宏观力学性能,用KYKY-2800B扫描电子显微镜分析了两种钢的断口形貌及其断裂机制。用Tribo Indenter纳米压痕仪研究了调质热处理和质子辐照对两种钢的纳米力学行为和纳米划痕摩擦行为的作用与影响。结果表明,AISI 420马氏体不锈钢和5140合金钢经过不同累计注量的质子辐照后,没有新相的产生。力学拉伸实验显示,随着质子辐照累计注量的增加,这两种钢的宏观拉伸强度有微小的增加。通过TEM分析发现,不同的回火温度导致两种钢的晶粒尺寸发生变化,即晶粒尺寸随回火温度的升高而增大。质子辐照对两种钢的微观组织变化作用效果显示,其微观组织的演化规律表现为,由于辐照损伤诱发了AISI 420马氏体不锈钢和5140合金钢表面层的微观组织缺陷,形成的大量空位和位错环,使表面层微观组织中的位错组态和位错密度发生变化,其位错密度随着质子辐照累计注量的增加而增大。纳米压痕和纳米划痕实验显示,质子辐照对AISI 420马氏体不锈钢和5140合金钢的纳米弹性模量影响不大,但对纳米硬度则有一定的影响。即AISI 420马氏体不锈钢和5140合金钢的纳米压痕硬度均随质子辐照累计注量的增加而增大,最大残余压痕深度的变化则相反,其原因是质子辐照所产生的表面硬化效应所致。不同累计注量的质子辐照产生的表面硬化效应对AISI 420马氏体不锈钢的纳米划痕硬度以及纳米摩擦性能有一定的影响,随着质子辐照累计注量的增加,纳米划痕的硬度有所提高,导致纳米摩擦系数降低,磨损体积和磨损速率也有所降低。