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表面自纳米化技术通过引入强烈塑性变形在金属表面制备一定厚度的纳米晶体层，提高材料的力学、耐腐蚀、耐磨损等性能，被认为是未来最有可能实现工业应用的纳米化技术之一。目前，人们对表面纳米化技术的研究多针对纯金属和退火态钢。而多相合金和淬火态钢在工程材料应用中占有很大比例，研究多相合金的表面纳米化对该技术在工程领域的推广有重要意义。
本文选择工程领域应用广泛的轴承钢——AISI52100钢作为研究对象，利用超音速微粒轰击（SupersonicFineParticlesBombarding,SFPB）技术分别对退火态和淬火态的AISI52100钢进行表面纳米化处理;利用扫描电子显微镜(SEM)，接触式表面轮廓仪和显微硬度计研究了不同工艺参数下SFPB处理对该材料表面形貌、组织和性能的影响，并对主要工艺参数进行了优化;利用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电镜(TEM)对超音速微粒轰击后样品的表层组织形貌、相结构和相组成进行了表征;利用显微硬度计、非接触式表面形貌仪、XRD、摩擦磨损设备、能谱仪(EDS)、电子探针(EPMA)等对SFPB处理后样品的硬度、残余应力、表面粗糙度和摩擦学性能进行了表征，探索了不同载荷下，SFPB处理的AISI52100钢的干摩擦磨损机制。
论文的第一部分工作是对SFPB处理的主要工艺参数进行优化。
SFPB处理AISI52100钢时，选用平均直径30μm的球形氧化铝粉作为轰击微粒。随着载流气体压强的增大，试样表层硬度有所增加。但当压强增大到某一特定值时，试样表面会萌生裂纹和孔洞，导致表面硬度急剧下降。对退火态AISI52100钢来说，最佳压强为1.5MPa;对淬火态AISI52100钢来说，最佳压强为2.0MPa。
对退火态试样而言，在最佳压强下，轰击时间越长，试样表面塑性变形层厚越均匀。但当轰击时间超过一定值时，退火试样表面萌生孔洞和微裂纹;对淬火态试样而言，轰击时间延长能在一定程度上增加塑性变形层的厚度。但当轰击时间超过一定值时，试样塑性变形层厚度不会发生明显变化。最佳压强下，退火态试样每平方厘米所需轰击时间为2s;淬火态试样每平方厘米所需轰击时间为0.4s。
对淬火态AISI52100钢辊进行SFPB处理时，气体温度会影响钢辊表面粗糙度，粗糙度随气体温度升高而增加。当气体温度为室温时，SFPB处理的钢辊表面粗糙度为1.2μm，此时轧制的钢板质量最好。
论文的第二部分工作是对SFPB处理后AISI52100钢的表层组织进行表征。
实验研究发现，退火态和淬火态的AISI52100钢表面晶粒均被细化至纳米级，退火态钢的表层晶粒平均尺寸达到20nm，纳米层厚度15μm;淬火态钢的表层晶粒平均尺寸30～60nm;纳米层厚度约5μm。退火态AISI52100钢最表层为纯铁素体纳米晶层，表层发生了渗碳体的分解，次表层发生了渗碳体的变形、细化;淬火态AISI52100钢最表层为纯马氏体纳米晶层，表层发生了马氏体相变和渗碳体的分解。
论文的第三部分工作是对SFPB处理后AISI52100钢的摩擦学及相关性能进行研究。
实验研究发现，SFPB处理后，钢表面形貌为随机分布球形弹坑。退火态AISI52100钢表面粗糙度为1.9μm，淬火态AISI52100钢的表面粗糙度为1.2μm。对淬火态AISI52100钢辊进行SFPB处理，钢辊表层出现约70μm的残余压应力层。最大残余压应力约745MPa，出现在钢辊表层。SFPB处理后，退火态和淬火态试样表面均出现一层约70μm的硬化层，硬化层是晶粒细化、加工硬化、相变强化共同作用的结果。退火态AISI52100钢的硬度最大值(470HV)出现在表层;淬火态AISI52100钢的硬度最大值(740HV)出现在次表层距表面10μm处。
摩擦实验表明，对退火态试样而言，载荷10N时，由于较高表面粗糙度的影响，SFPB处理的试样具有更高的摩擦系数，较差的耐磨性能;在20N～40N载荷下，由于表层硬度更高，SFPB处理的试样具有较低的摩擦系数和更高的耐磨性能。对淬火态AISI52100钢而言，在低载荷15N～25N下，由于更高的表层硬度，SFPB处理的试样有更好耐磨性能;在高载荷50N～75N时，由于试样的磨损机制由严重的氧化磨损所主导，SFPB处理的试样的耐磨性能相比未处理试样提高不大。