强流脉冲离子束（HIPIB）与材料交互作用的基础研究具有重要的科学意义,同时强流脉冲离子束在表面工程领域有着广阔的应用前景。本论文对HIPIB辐照材料的热学效应进行了模拟,对HIPIB辐照工业纯铁和45^#钢的热力学效应进行了实验研究,获得了HIPIB表面改性的机理及控制规律,为HIPIB的工程应用提供了依据。系统论述了HIPIB热力学效应模拟和辐照机理等研究方向的进展。采用SRIM程序模拟了C⁺、H⁺离子对铁靶的注入作用。运用有限元工程模拟软件ABAQUS,采用体加载、单元死活算法和能量沉积耦合等方式,模拟了HIPIB辐照GH3030、45^#钢和TC4钛合金的热效应。模拟结果表明:辐照离子能量相同时,H⁺离子的射程大于C⁺离子;离子的注入在靶材亚表层产生了大量缺陷（vacancies）;50ns脉冲时间内,45^#钢靶材表面的升温速率可达8.8×10¹⁰℃/s;辐照结束后,45^#钢靶材表面液相冷却速率达可1.4×10¹⁰℃/s。利用TIA-450型HIPIB设备对工业纯铁和45^#钢进行了表面辐照实验,典型实验参数为:束流组成70%C⁺+30%H⁺,脉冲宽度50ns,二极管加速电压400kV,束流密度170-200A/cm2。通过对辐照次数分别为1、5、10、20的系列实验,系统地研究了随脉冲次数增加,靶材表面形貌及组织结构的演变过程及规律。采用扫描电镜（SEM）、显微硬度仪、X射线衍射仪（XRD）和透射电镜（TEM）等方法对靶材表面形貌、相结构、显微硬度及微观组织进行了检测,研究结果表明: HIPIB辐照使靶材表面发生了快速熔化及凝固,辐照表面形成了熔坑;后续辐照对先前产生的熔坑有模糊化甚至消除的趋势;亚表层局部区域的爆破式喷发是形成熔坑的主要原因。HIPIB辐照使工业纯铁靶材表面硬度呈提高趋势;随着辐照次数的增加,硬度提高的趋势逐渐减缓;HIPIB辐照对工业纯铁靶材的作用以塑变硬化为主;1次辐照后,淬火45^#钢靶材表面显微硬度提高;随着辐照次数的增加,硬度呈先下降后稳定的趋势;淬火45^#钢靶材表层在多次辐照情况下发生了回复及再结晶;在爆破式喷发引起的强应力波作用下,工业纯铁和45^#钢靶材表面熔坑区的显微硬度水平高于无熔坑区。HIPIB辐照使工业纯铁靶材中的位错密度增大;随着辐照次数的增加,位错线发展成位错网、位错墙、位错胞以及亚晶界;多次辐照后,工业纯铁靶材局部区域的位错密度下降;多次辐照后,淬火45^#钢靶材中的位错密度比辐照前有所下降; HIPIB辐照使工业纯铁和45^#钢靶材表层出现了择优取向趋势,HIPIB辐照产生的应力波效应和表层液相的定向凝固可能是其成因;反复的应力波作用使组织呈细化趋势。HIPIB辐照的瞬间熔化再凝固效应使工业纯铁和45^#钢表面部分区域形成了纳米晶和非晶。本实验条件下,10-20次辐照可使工业纯铁和45^#钢的表面形貌均匀化,组织细化及非晶化;在不显著降低强度的前提下,HIPIB辐照可对淬火45^#钢实现表面组织的细化及非晶化。