表面机械研磨处理(SMAT)能够实现金属材料的表面纳米化以提高其整体性能，同时也为研究塑性变形导致的晶粒细化机制提供理想样品。工程材料大多为多相合金，深入系统地研究多相合金在SMAT过程中的纳米晶形成机制以及各相化学成分的变化具有重要的意义。低塑性导致纳米材料在摩擦磨损等使役过程中容易发生断裂，通过适当工艺使其达到良好的强塑性配合，可拓展纳米材料的工程应用。　　 本工作选用球化退火态AISI52100钢样品进行SMAT处理以及后续真空退火处理；利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨电子显微镜(HRTEM)等方法系统研究了AISI52100钢SMAT导致的晶粒细化及渗碳体分解过程；利用XRD、TEM等方法表征了AISI52100钢纳米结构表层的热稳定性，采用维氏硬度计、SRV摩擦实验机分析了纳米结构表层的耐磨性能与硬度、塑性之间的关系。主要研究结果如下：　　 1.经过SMAT处理，AISI52100钢表面形成厚约60μm的纳米晶层，5μm深处样品平均晶粒尺寸约为8 nm。表面层微观结构沿深度方向呈梯度分布，由表及里依次可分为纳米结构区、超细晶区、深层变形区。　　 2.表面机械研磨AISI52100钢晶粒细化过程具有以下主要特征：(i)渗碳体粒子间形成位错墙、位错缠绕结构，将铁素体分割为细小的位错胞块；(ii)随着应变量的增加，位错缠绕结构及位错墙密度增大，并逐渐演变为亚晶界乃至大角晶界，尺寸不断下降的新晶粒形成；(iii)当铁素体晶粒细化到渗碳体颗粒尺寸以下时，渗碳体内沿{110}及{100}滑移面开动大量位错，其中铁素体位错墙或晶界和两相界面交叉诱发了渗碳体滑移系的开动。伴随着铁素体晶粒的不断细化，多系位错滑移逐步将渗碳体颗粒切割为纳米尺度的碎片并与铁素体基体机械混合。最终在大应变量、高应变速率和多向载荷的共同作用下，样品表层形成等轴、随机取向的纳米晶粒。(iv)与相同条件下SMAT处理后的纯铁样品相比，AISI52100钢中弥散分布的渗碳体颗粒显著加速了铁素体的细化进程：两相界面可为铁素体塑性变形提供大量位错源，提高基体的位错增殖速率；铁素体位错的滑移在两相界面处受阻，容易迅速形成小间距位错墙或位错缠绕结构，进一步转变为亚晶界及高角晶界而细分原始粗晶；渗碳体碎化导致界面面积的增多也加速了铁素体的纳米化。　　 3.AISI52100钢表层的渗碳体颗粒在SMAT过程中发生分解，其含量随深度的减少而逐渐下降。结构及成分分析(C-map)结果显示渗碳体分解与位错滑移之间存在内在联系。在SMAT处理过程中渗碳体内部开动大量位错并滑过两相界面，导致渗碳体滑移带附近出现碳元素的贫化层，而溶解的碳原子极有可能择优重新分布到滑移台阶下方铁素体位错核心或晶粒界处，形成碳原子富集区(“碳气团”)，即位错滑移是诱发渗碳体分解的主要因素。随着内部位错滑移的加剧，渗碳体可沿其滑移带以一种不连续的方式逐步发生分解。　　 4.有限元分析表明渗碳体滑移台阶的下方出现拉应力区，且其尺寸随台阶长度的增加而增长，而滑移台阶和拉应力区的增大有利于容纳更多的铁素体位错或晶粒界，这样溶解的碳原子有可能更多地偏聚于该区域。C-map中的“碳气团”尺寸也随滑移台阶长度的增加而增长，与有限元分析相互吻合。　　 5.退火实验表明AISI52100钢样品的纳米结构表层具有很高的热稳定性。当退火温度低于973K时，铁素体晶粒未发生明显长大。　　 6.表面机械研磨AISI52100钢样品的耐磨性能与粗晶样品相当。退火处理后，随铁素体晶粒尺寸(Dα)的增加，AISI52100钢纳米结构表层的耐磨性能先提高后降低，并在Dα=32 nm时达到最佳，其磨损量在70 N载荷下仅为粗晶样品的1/4。样品的塑性随Dα的增大而增大，而硬度随Dα的增大而减少，在Dα=32 nm时硬度和塑性达到最优化配合，直接导致样品在该尺寸下具有最佳耐磨性能。同时Dα=32 nm的样品向对磨副WC球表面发生最为明显的材料转移，可减少WC球表面坚硬粒子与磨损试样的直接接触，有效降低样品磨损量。