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表面机械研磨处理(SMAT)可以实现金属材料的表面纳米化，提高材料表面的硬度。表面纳米化后材料表层存在高密度的晶界和位错等缺陷，可为化学热处理中的原子快速扩散提供理想的通道。由GCr15钢制备的轴承滚动体在工作中的主要失效形式是摩擦磨损和疲劳破坏，表面硬化处理有利于提高其耐磨性能和疲劳强度。本文采用两种方法提高GCr15钢球的表面硬度，第一种方法是直接对原始淬火态钢球进行表面机械研磨处理;另外一种方法是将原始淬火态钢球在800℃进行球化退火，再对钢球进行表面机械研磨处理+渗氮淬火复合处理。文中利用金相显微镜(OM)、X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、显微硬度计等分析手段对在两种工艺下样品表层的结构和性能进行了详细分析，得出如下结论: (1)淬火态GCr15钢球经表面机械研磨处理后，表层形成了等轴的、取向随机分布的纳米晶粒，表层晶粒尺寸约为8nm。马氏体在SMAT过程中发生了塑性变形，内部产生高密度的位错和变形孪晶，晶粒逐渐被细化。渗碳体在SMAT过程中内部产生了位错滑移，随着两相界面附近位错密度的增加，渗碳体发生了分解。经表面机械研磨处理后，样品表面硬度值显著增加，SMAT5小时样品最高硬度值1375HV，硬化层深度达0.4mm。 (2)退火态GCr15钢球经表面机械研磨处理后，表层发生严重塑性变形，实现了表面纳米化。SMAT90min样品表层平均晶粒尺寸为20nm，表面微观结构呈梯度变化。SMAT90min样品最高硬度值为1450HV，硬化层深度为0.15mm。随SMAT时间延长，样品表层硬度值增大。 (3)530℃气体渗氮实验表明，SMAT样品连续氮化物层的厚度是原始退火态样品的两倍（原始退火态样品的氮化物层厚度为10岬，SMAT90min样品的氮化物层厚度为20μm）;SMAT样品表层获得更高的硬度（原始退火态样品表层最高硬度值为690HV，SMAT90min样品表层最高硬度值为875HV）;SMAT样品抑制针状氮化物的析出，改善了扩散层的性能。 (4)渗氮再淬火复合处理实验表明，表层连续氮化物层完全分解，样品表层生成一层疏松组织，次表层形成了高硬度的含氮马氏体。复合处理样品表面硬度值较低约为350HV，次表层硬度值较高，都在1000HV以上，硬化层深度达2mm左右;渗氮再淬火样品的硬化层比SMAT5h淬火态GCr15钢球样品的硬化层深，但是表面硬度值却低于SMAT5h淬火态GCr15钢球的表面硬度值。