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近年来，关于镁合金表面改性方面的研究得到了越来越多的关注，而作为表面改性方法之一的表面机械研磨技术(Surface mechanical attrition treatment，SMAT)，由于可以在金属表面制备出性能优异的纳米晶层而得到了广泛的研究。然而目前为止，关于镁合金表面机械研磨微观组织结构演化规律及其表层纳米结构的性能尚缺乏系统的研究，尤其对镁合金中严重塑性变形所致的纳米晶粒形成机制，及其摩擦磨损性能及合金化行为，仍然缺乏统一的认识和深入的理解。因而，对于这些问题的研究越发具有重要的意义。
本工作中，采用了X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨电子显微镜(HREM)等测试技术系统研究了表面机械研磨处理AZ91D镁合金距表层不同深度的硬度及微观结构特征，并在此基础上总结了表层晶粒细化机制。同时，系统的研究了表面机械研磨AZ91D镁合金样品表面合金化行为以及摩擦磨损行为。主要研究结果如下：
表面机械研磨AZ91D镁合金微观组织结构演化与晶粒细化机制研究：
1.在表面机械研磨AZ91D镁合金样品表层形成了等轴、随机取向的纳米晶粒。样品表层平均晶粒尺寸在32 nm左右，由于晶粒细化效应，表层微观硬度可达1.8 GPa。变形层微观结构随距表面深度增加呈梯度变化，晶粒(或晶胞)尺寸逐渐增加。表面层由表及里依次可分为：纳米晶结构区(0-100μm)、亚微米晶结构区(100-600μm)及变形孪晶结构区(600-1500μm)。
2.表面机械研磨AZ91D镁合金晶粒细化机制主要包括以下三个过程：
a)变形初始阶段，孪晶变形成为主导的塑性变形机制并将原始晶粒切割细化为大量的孪晶板条；
b)由于逐渐增加的应变量及应变速率，大量位错列开始出现并将孪晶板条逐渐地分割成具有微小取向差的亚晶粒：
c)由于表层的高应变及高应变速率，动态再结晶行为开始发生，表层纳米晶结构形成。表面机械研磨AZ91D镁合金合金化行为研究：
通过对表面机械研磨处理的AZ91D镁合金进行了表面合金化行为的研究发现，表面机械研磨样品的合金化温度可降至380℃并且在表面得到了厚度为100～150μm的富Al合金层。此合金渗层内含有一层以镁固溶体为基体伴有大量Mg17Al12析出强化相的层状相层，其硬度值为基体的1.5倍。由于Mg17Al12相的强化作用，合金层的摩擦磨损性能相对于基体得到了很大的提高。可见表面机械研磨所致样品表面出现的大量晶界，使样品在表面合金化时表现出了更大的扩散活性。而在固体扩散合金化法的研究中，表面机械研磨样品与粗晶样品的合金化行为相差不大。
表面机械研磨AZ91D镁合金摩擦磨损行为研究：
1.相对于粗晶样品而言，SMAT样品表现出了略高的摩擦系数以及较高的耐磨性。通过对磨痕表面及磨屑形貌等进行SEM观察，发现SMAT样品与粗晶样品具有相同的磨损机制，即以切削和犁沟为主的磨料磨损与氧化磨损的一种混合机制；表面机械研磨样品提高的耐磨性主要是由于表层硬度提高的缘故，这源于表层晶粒的细化效应。
2.随摩擦副滑擦速率的增加，粗晶样品和表面机械研磨样品的磨损率均减小并在较高滑擦速率下趋于一致。通过对两者磨痕变形层的微观结构演化进行TEM观察发现，SMAT样品磨痕微观结构变化不大，而粗晶样品在较高的滑擦速率下，由于应变速率和瞬间温度的升高，磨痕表面的晶粒尺寸被细化至纳米量级。