新兴的固态搅拌摩擦焊技术及其衍生的新型加工方法,不仅可以实现金属材料的连接,还可以用于金属材料的表面改性。本文基于搅拌摩擦加工原理对球墨铸铁(QT500)进行表面改性研究,分别运用有针和无针的搅拌头制备出具有结构和组分不同于原QT500母材的改性层。通过分析加工表面的宏观成形性,加工区微观组织结构演变(包括加工区石墨形态结构、分布的变化和基体微观组织的演变),以及加工区组织性能,深入地研究了QT500表面搅拌摩擦加工的基本理论以及关键性问题。研究表明,QT500表面改性层的宏观成形性与加工过程的热输入量有着密切关系,通过控制加工工艺参数(搅拌头旋转速度、行进速度)来调整热输入量,可以获得表面成型良好,没有任何缺陷的表面加工改性层。加工过程中由于搅拌头的旋转摩擦作用,改性层中石墨的形态结构以及分布发生显著的变化,并且有无搅拌针对石墨的形态分布有着重要影响。基于有针搅拌头进行表面加工时,搅拌区的石墨发生了明显的破碎与细化,细化的石墨尺寸大约为0.5-1μm,且分布比较均匀致密。热机械影响区由于遭受塑性变形相对不是很剧烈,石墨颗粒只变形呈“长条状”或者“蝌蚪状”,并没有发生明显的细化。把细化的石墨颗粒当作示踪材料可以发现在搅拌区边缘有一个明显的剪切流动区域的存在,剪切流动区域的宽度从前进侧逐渐向后退侧变大。基于无针搅拌头进行表面加工时,由于缺少搅拌针的影响,改性层中石墨主要发生了变形,细化并不明显,变形的石墨呈“蠕虫状”或“长条状”,且变形的程度沿着厚度方向往加工区内部逐渐减弱,热机械影响区石墨主要呈现“椭球状”。同时,加工区的石墨形态与工艺参数有着密切的关系。由于在加工过程中,表面改性层组织遭受了热循环和严重的塑性变形作用,改性层中基体的微观组织发生了显著的变化。基体中铁素体与珠光体组织转变成马氏体、珠光体与奥氏体组织。且马氏体、珠光体和奥氏体含量取决于加工过程的工艺参数。当搅拌头旋转速度较快或行进速度较快时,马氏体相变发生越容易,奥氏体向马氏体转变量则越多,相应的珠光体含量则越少。由于改性层中微观组织发生了变化,故其力学性能也随之改变,改性层中由于马氏体相的存在,其硬度得到显著改善,显微硬度值达到800 HV以上,耐磨性也相应的提高。通过分析实验结果,研究了两种不同加工条件下石墨球变形、破碎、分布的机制,石墨变形破碎的直接驱动力来源于搅拌头的旋转摩擦。并且通过热力学分析了微观组织演变所需要满足的条件。