本文以高锰钢(Hadfield Steel)为研究对象,采用高速重击技术(HSP)优化了其表层组织和性能,制备出不同程度的应变硬化层和梯度纳米晶层,系统的研究了室温条件下HSP诱导高锰钢表层纳米化的组织演变过程和应变硬化行为;具有纳米组织的高锰钢试样的力学性能、摩擦磨损行为以及纳米组织的变形行为;高锰钢在HSP诱导组织纳米化前后热处理过程中的碳化物析出行为等。并且系统的分析了实际高锰钢辙叉的疲劳裂纹扩展机理。研究表明:剧烈塑性变形过程中,高锰钢组织纳米化和应变硬化这两个过程不同时进行。它可分为两个阶段:第一阶段以应变硬化为主,原始晶粒发生机械变形,晶粒内部位错、形变孪晶逐渐产生并积累,二者共同协调高锰钢的塑性变形过程,但没有新晶界/亚晶界的形成。在此阶段试样表面硬度值逐渐增加达到饱和,其饱和硬度值由载荷大小决定,重击载荷越大饱和硬度值越大;试样表层的硬化速率由应变速率决定,硬化速率随应变速率的增大而增加。第二阶段以组织纳米化为主,晶粒内部的位错、形变孪晶相互作用,导致晶粒细化直至纳米级。这个阶段位错密度、孪晶密度和晶界密度对硬度的影响达到动态平衡,试样表面硬度基本保持不变。高锰钢表面组织的纳米化程度和纳米化速度由应变速率决定。在第二阶段组织纳米化的过程中,孪晶界和位错能够通过位错反应在孪晶界处形成不可动的弗兰克不全位错和单位位错,并且能够使孪晶界上产生台阶并且造成孪晶上位错的滑移、塞积、增殖,从而使平直的共格孪晶界向弯曲的非共格晶界转变。随后系统的分析了层错能、位错特征、孪晶厚度和能量条件等影响因素对位错和孪晶界相互作用的影响,并提出一个物理模型阐述材料塑性变形纳米化过程中位错之间的相互作用以及位错和孪晶的相互作用的机理,揭示具有中层错能的金属在SPD条件下的纳米化机理。摩擦磨损试样表明,高锰钢组织的纳米化,能够显著的提高其在室温以及高温条件下的耐磨性。这是由于,晶粒的细化能够有效的提高试样表面的活性,促进磨损过程中氧化物的生成,从而能够有效的阻碍磨损过程中试样表面和摩擦副的直接接触,避免磨损表面的磨损破坏,阻碍粘着磨损的发生。均匀拉伸试验结果表明,纳米组织的高锰钢展现了很高的抗拉强度以及比较理想的延展性。在塑性变形过程中,由于不同纳米晶晶粒内部存在的缺陷(位错、孪晶)密度不同、不同纳米晶晶粒尺寸的变形机理不同,从而导致在晶粒尺寸差异大的两个相邻晶粒的晶界或者晶界的三叉处产生微孔。微孔的产生、聚集、长大和相互连接是造成试样拉伸断裂的原因。剧烈塑性变形和组织纳米化都能提高高锰钢的碳化物析出温度。这是因为,塑性变形过程能够导致高锰钢中碳原子的再分布,使其在变形之后的分布更加均匀。并且,纳米高锰钢中析出的碳化物尺寸在100 nm以下,呈粒状的弥散分布,对组织具有一定的强化作用。