为了满足服役环境对材料性能(如强度、硬度、摩擦磨损、腐蚀等)的特殊需要,人们相继提出了多种表面改性技术,例如电镀、喷涂、气相沉积、表面化学处理等。随着纳米技术的不断发展,将传统的表面改性技术与纳米制备技术相结合,有可能为实现工程金属材料的纳米化提供一个新的发展方向。通过表面纳米化处理,可以在各种金属材料的表面获得纳米晶组织,由于纳米结构层与基体之间没有明显地界面,在使用过程中不会因为外界条件的变化而发生剥落和分离,因此可以用于取代一些成本高的表面处理方法。到目前为止,人们已经开发了许多表面纳米化的工艺,如表面机械研磨处理、喷丸处理、超声冷锻等等。然而这些技术要么工艺复杂、效率低,要么难以加工大尺寸的样品,这些不利的因素已经限制了表面纳米化技术的实际应用。因此,开发一种合理的表面纳米化工艺是非常必要的。本课题的目的在于探索一种新的表面纳米化的方法,即快速多重旋转碾压(fast multiple rotation rolling, FMRR),改进以往技术的不足之处,并通过表征纳米结构层的特征来分析纳米层结构和性能之间的关系,及纳米晶的热稳定性和纳米化机理被研究。本文主要完成的研究内容如下：(1)设计了一种具有应用前景的新型快速多重旋转碾压装置(FMRR),可用于各种金属材料的表面纳米化处理。(2)对低碳钢和不锈钢进行不同时间的FMRR处理,研究了处理前后材料微观结构的变化。对低碳钢材料处理30min,晶粒明显细化到纳米级,平均晶粒尺寸约为20nm；处理时间增加到60min,晶粒进一步减小到9nm。对316L不锈钢材料处理30min和60min,形变诱发α′马氏体发生,α′马氏体相的含量分别为10%和20%。同时,晶粒已明显细化,晶粒尺寸分别17nm和12nm。(3)研究了FMRR工艺制备的纳米结构层对低碳钢的硬度、强度和摩擦磨损性能的影响。结果表明：最表层的显微硬度是原始样品的2倍；FMRR样品的屈服强度(σ0.2)提高了24%,抗拉强度提高了18.6%,同时,塑性有轻微的减小从26%降低到22%。此外,FMRR处理后低碳钢的摩擦系数从0.52降低0.30以下,且纳米层的磨损量小于原始样品,这表明快速多重旋转碾压能明显提高低碳钢的耐磨性。(4)研究了在316L不锈钢的表面制备的纳米结构层对其性能的影响。结果表明：纳米层的硬度是原始样品的的2.8倍；FMRR处理后样品的抗拉强度达到了608MPa,比原始不锈钢的抗拉强度增加了22%。屈服强度(σ0.2)提高了51%。同时,具有纳米和粗晶结构样品的韧性达到一个较高的值，大约38%。腐蚀性研究表明：快速多重旋转碾压制备的纳米结构层降低了316L不锈钢的腐蚀性,这是由于晶界的增多、粗糙度增加、马氏体的产生及位错密度的增加所致。(5)对具有纳米结构层的低碳钢和不锈钢在不同的温度下退火,研究了纳米结构层的热稳定性。结果表明：对低碳钢在400℃进行退火,纳米结构能稳定存在,尽管晶粒尺寸从9nm增长到30-60nm,但仍为纳米级。316L不锈钢在退火过程中，随着退火温度的升高，晶粒增大中，微观应变减小。在500℃时，晶粒尺寸仍为纳米级；同时,在退火过程中，发生马氏体相变,对于FMRR处理60min的样品,在500℃时,马氏体含量达到最大值为92%,这是由于应力释放所致。(6)低碳钢为bcc结构材料,具有高的层错能。在快速多重旋转碾压过程中,晶粒细化机理为：位错通过滑移、积累、交互作用、湮火和重排等形成位错墙和位错缠结，高密度位错墙和位错缠结附近发生湮灭和重排，使得位错墙和位错缠结发展成亚晶界面细化晶粒，重复以上的过程，最终形成纳米晶。316L不锈钢为fcc结构材料,具有低的层错能。其晶粒细化机理为：位错在不同滑移面上排列后,形成挛晶，然后这些孪晶进行交割，最终将晶粒细化而产生纳米晶。总之,该研究提出了一种新型的表面纳米化技术,该技术具有效率高、可加工大块样品等特点。利用该工艺制备的纳米结构层，使材料力学性能得到明显的提高，这对低成本传统材料的产业化改造和升级换代提供全新的思路。此外,纳米层的热稳定性的研究对表面纳米化材料的工程应用提供了一个合适的服役湿度条件。因此,这项研究具有重要的现实及理论意义。本论文得到国家自然科学基金(No.8171463,30800221,30870610)、中国博士后科学基金(No.200804401138)、山东省博士后创新基金(200902030)和山东大学研究生自主创新基金(No.yzc11053)的资助。