钛及钛合金因具有高的比强度、良好的耐腐蚀性及生物相容性,已在各个领域得到了广泛的应用,但钛合金的弱点是强度低和耐磨性差。气体渗氮是一种常用的钛及钛合金表面强化技术,渗氮层具有较高硬度和良好耐磨性及抗咬合性能。但由于反应动力学方面的限制,普通工业渗氮过程非常缓慢。钛的渗氮温度在800～900℃之间,强化渗氮时间往往能达到50～80小时,这使工业渗氮成本相对过高。高温渗氮处理还经常引起工件变形和表面韧性下降。因此,提高渗氮速率和降低渗氮温度在工业生产中具有重要意义。超细晶材料拥有丰富的晶界、位错等结构缺陷,这些缺陷可以充当氮原子扩散的快速通道。另外,晶体缺陷的存在使超细晶材料中的储能增大,这对化学反应和相变十分有利。因此,在钛合金表面形成超细晶层是一种增强氮原子扩散动力学和降低渗氮温度的有效方法。本文采用表面机械研磨处理（SMAT）和表面机械抛丸（MSB）的方法在纯钛表面分别制备出了纳米晶层和亚微米晶层,然后对纯钛样品进行了气体渗氮。利用金相显微镜、X射线、扫描电镜和透射电镜等对表面超细晶层和渗氮层的组织结构和性能进行了测试和分析。主要研究结果如下:表面机械研磨纯钛的微观结构和渗氮层性能研究（1）表面机械研磨可实现纯钛表面纳米化,表面纳米晶层平均晶粒尺寸为18.48 nm。热稳定性研究表明纳米晶层在500℃以下具有良好的结构稳定性。（2）表面机械研磨提高了纯钛的渗氮能力。SMAT样品在550℃气体渗氮5 h后,表层形成了 15～25 μm的渗氮层,而粗晶样品几乎未被渗氮。（3）表面机械研磨处理后渗氮可显著提高样品渗氮层的硬度、耐磨性能和表面韧性。表面机械抛丸钛板的微观结构和渗氮层性能研究（1）实验确定了适合的MSB处理工艺参数为:800 rpm,处理2 h。在钛板表面制备出了梯度亚微米晶结构层,表层平均晶粒尺寸约200 nm。（2）表面机械抛丸处理可促进氮原子在纯钛中的扩散。在600～850℃渗氮温度范围内,MSB处理后的渗氮钛板表面渗氮层厚度始终高于粗晶渗氮钛板,并且在750℃时厚度差值最大。（3）表面机械抛丸渗氮钛板的表面硬度和耐磨性较粗晶渗氮钛板有所提高。而二者的表面渗氮层脆性评级均为Ⅳ～Ⅴ级,因此表面机械抛丸处理并未改善渗氮层的韧性。（4）对SMAT渗氮样品、MSB渗氮样品及粗晶渗氮样品进行对比分析发现,梯度纳米结构层和亚微米结构层均可有效促进渗氮过程。