传统滚压工艺的作用通常体现在提高表面质量和疲劳强度,而其组织强化效果不理想。表面纳米化(Surface nanocrystallization,SNC)技术是一种利用纳米材料独特的力学和理化性质来大幅增强材料表面性能的新方法,但往往导致表面粗糙度增大。实际上,结合这两种表面强化技术的优点,可成功制备出具有梯度超细晶结构的材料表层。所谓梯度超细晶结构是指材料的晶粒尺寸在空间上呈梯度分布,从纳米晶或亚微米晶尺度连续增大到粗晶尺度。梯度超细晶结构的实质是晶界密度在空间上的梯度变化,并带来理化和力学性能的梯度变化。这种独特的微观组织结构有别于超细晶与基体材料的简单复合,有效避免了因晶粒尺寸突变引起的使用性能的突变,同时不同晶粒尺寸结构相互协调的作用机制也可以使材料的整体性能和服役行为得到优化和提高。目前,对于梯度超细晶结构材料的微观组织演变及表层性能等方面的机理研究尚缺乏统一认识和理解。本论文利用剧烈塑性滚压(Severe Plastic Burnishing,SPB)这一SNC新方法诱导fcc晶体结构中层错能纯铜及bcc晶体结构高层错能纯铁两种材料的梯度超细晶结构表层,对其不同的晶粒细化机理及表层性能进行全面深入研究。选用纯金属是因为这可以排除固溶强化、沉淀强化、相变等因素影响,更有利于理解晶粒细化对材料力学和使用性能的影响。而选用不同层错能及晶体结构的金属是因为层错能的大小及晶体微观结构与晶粒细化机理密切相关。本研究的主要内容及结论如下:采用SPB技术对纯铜和纯铁试样进行不同滚压力和滚压次数的处理,研究处理前后晶粒尺寸的改变。对纯铜滚压2次后,晶粒细化至亚微米级,平均晶粒尺寸为643 nm;滚压次数增加到8次后,晶粒细化至纳米级,平均晶粒尺寸减小到12 nm;对纯铁滚压8次后,晶粒已经明显细化,最小晶粒尺寸约300 nm。采用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)等测试方法对试样横截面、表面、不同层深的微观结构进行研究,得出了不同晶体结构及层错能的梯度超细晶结构材料的晶粒细化机理。对于中等层错能fcc晶体结构金属,在低应变和应变速率下,原始粗晶通过剪切带和位错滑移的分割作用,将晶粒细化至微米/亚微米尺度;在高应变和应变速率下,高密度位错及机械孪生的共同作用进一步将晶粒细化至亚微米/纳米级;最后,通过晶粒转动或晶界滑动形成等轴状、随机取向的纳米晶。对于高层错能bcc晶体结构金属,首先通过位错的增殖、累积和相互作用在粗晶内部形成位错墙、位错缠结及胞状组织。随着塑性变形程度增加,位错墙和位错缠结附近的高密度位错不断生成、湮灭和重排,使其逐渐演变成亚晶界,位错胞也逐渐形成微米级的亚晶。这些亚晶或位错胞内部的进一步位错运动最终促使晶粒细化至纳米或亚微米尺度。研究了不同加工参数的梯度超细晶纯铜样的力学及使用性能。结果表明:梯度超细晶纯铜样的表面粗糙度降低至原粗糙度的1/10;SPB方法可显著提高试样表层硬度至基体的1.7倍以上,硬化层厚度约400μm且晶粒尺寸与硬度符合传统的Hall-Petch关系。在干摩擦和油润滑条件下,梯度超细晶铜均表现出更优异的抗磨损性能,但在油润滑时的摩擦系数高于粗晶铜。梯度超细晶铜在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电位负移且腐蚀电流密度明显增大,耐腐蚀性有所下降,但在6%FeCl3溶液中的抗点蚀能力显著提高。梯度超细晶铜的晶粒长大激活能为110.9kJ/mol,远小于粗晶铜的晶粒长大激活能。当退火温度超过200℃时,梯度超细晶铜的晶粒明显长大,同时微观应变大幅减小,表明纳米晶铜的热稳定性下降。对SPB处理的梯度超细晶纯铁的表面粗糙度、显微硬度、抗摩擦磨损性能及耐腐蚀性进行研究,结果表明:梯度超细晶铁的表面粗糙度从3.67μm降低到0.41μm;最表层显微硬度比原始粗晶提高约1.6倍,加工硬化作用显著;干摩擦条件下,梯度超细晶铁在小载荷下的抗摩擦磨损性能明显降低,油润滑条件下,梯度超细晶铁与粗晶铁的最大磨损体积比小于1%,耐磨损性能大幅提高,但稳态摩擦系数变大;纯铁经SPB处理后自腐蚀电位往阳极方向移动,腐蚀电流密度显著降低,点蚀速度减小1/2,耐腐蚀性大幅提高。