晶粒细化是提高金属材料强韧性的有效方式之一,针对材料表面的晶粒超细化一直是表面强化技术的研究热点。本文以工业纯铁为研究对象,基于循环淬火晶粒细化技术,设计了循环渗氮淬火工艺,并通过优化渗氮淬火工艺参数,实现了工业纯铁表面晶粒的超细化甚至纳米化。同时采用多种表征手段研究晶粒细化过程,探讨了循环渗氮淬火过程中渗层的组织演变和晶粒纳米化机理,采用硬度、拉伸试验表征细晶层力学性能。首先研究不同循环渗氮淬火工艺对晶粒细化的影响,结果表明:在750～850℃低压高温渗氮+循环淬火的工艺中发现渗氮后循环淬火能够显著细化表面晶粒,在750℃渗氮+淬火3次后表面晶粒从原始铁素体30～50μm的晶粒尺寸细化至2～3μm。升高渗氮和淬火温度至800和850℃后晶粒细化程度降低,说明氮含量和淬火温度对晶粒细化过程有巨大影响。由此提出了循环低温渗氮+高温淬火的优化工艺,进一步将渗层晶粒细化至1～2μm。根据前文工艺探索得出的规律,提出了高氮势渗氮条件下的循环渗氮淬火工艺,在550℃常压渗氮2h后750℃淬火的循环渗氮淬火工艺下达到最佳的晶粒细化效果。探讨了晶粒超细化机理:渗氮淬火后渗层由α’和残余奥氏体γ构成,在下一次渗氮阶段完全分解为α+γ’回火组织,后续升温过程中转变为细小的奥氏体晶粒。在4次循环的渗氮阶段的TEM表征中发现了纳米级的α和γ’,在接下来的淬火过程中转变为10nm以内的γ晶粒和70nm左右的α’晶粒,结果表明循环渗氮淬火工艺能够实现渗层晶粒纳米化。