梯度纳米结构（GNS）是指材料的微观结构单元,如晶粒尺寸或层片厚度,由表及里从纳米尺度逐渐增大到微米尺度的一种多级构筑纳米结构。已有研究表明,通过形成GNS可以提高金属材料的强度-韧性组合、抗疲劳和摩擦磨损等性能。此外,GNS还可大幅提高材料中合金原子的扩散速度,降低表面合金化（如渗Cr和渗N等）的温度和时间,提高材料的耐蚀和耐磨性。然而,纳米结构表层的热稳定性一般较差,在表面合金化的热处理过程中容易发生晶粒长大,导致材料基本丧失GNS的微观结构特征。近期研究表明,通过形成纳米层状结构,有望大幅提高纳米结构的热稳定性。本论文利用表面机械滚压处理（SMRT）在无间隙原子（IF）钢上制备出了梯度纳米层片结构（GNL）表层,通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等实验手段研究了 GNL表层中的微观结构和热稳定性,采用二次离子质谱仪（SIMS）研究了 Cr在其中的扩散性能,进而研究了 Cr元素的扩散对其微观结构演变的影响及其潜在机理,最后研究了渗Cr样品的腐蚀和力学性能。得到如下主要结论:1.通过加工参数为样品转速300 r/min、刀头进给速度0.02 mm/r、加工4道次、总压入量60 μm的SMRT处理,在IF钢棒状样品上制备出了表面硬度为～3.4 GPa、表面粗糙度（Ra）为～0.2μm的GNS表层。其中,距表面10 μm深度范围内为GNL组织,层片厚度在表面处为～69 nm、10μm处增至～96 nm;10-100μm深度范围内为层片厚度/晶粒尺寸在100-1000 nm之间的层片组织/等轴晶混合结构,层片组织所占比重随深度增大逐渐降低;100-400 μm深度范围内为含有高密度位错缠结、位错胞等亚结构的变形组织;400 μm以下为无变形粗晶基体。2.与等轴纳米晶相比,GNL组织的热稳定性显著提高。在500℃下退火720 min,SMRT样品表面硬度保持稳定,微观结构不发生明显粗化。3.在400-500℃的温度范围内,Cr在GNL表层中的有效扩散系数比体扩散系数提高了约4-6个数量级。与退火态粗晶样品中大角晶界的扩散系数相比,GNL样品中的有效扩散系数在400℃时高出～20倍,450℃时基本相当,500℃时稍有降低。分析表明,较低温度下扩散系数的大幅度提高可归因于GNL表层中存在的大量具有较高能态的晶界或位错结构,其为Cr原子提供了“短路”扩散通道。4.微观结构观察表明,GNL表层在500℃渗Cr过程中发生了 B类扩散,即Cr原子在沿纳米层片组织的晶界快速扩散的同时从晶界向相邻晶粒内部“渗漏”（体扩散距离小于晶粒尺寸的1/2）。5.GNL表层在渗Cr过程中发生扩散加速晶粒粗化（DAGG）行为。经500℃退火720 min后,镀Cr样品中纳米层片结构转变为晶粒尺寸～260 nm的等轴纳米晶;与之相比,经相同退火处理后,未镀Cr样品的表层仍为平均厚度～88 nm的纳米层片结构。分析表明,Cr沿GNL层中晶界的快速扩散一方面由于造成了Cr在晶界上的富集而提高了晶界能,另一方面诱发了晶界迁移,从而导致DAGG的发生。6.与原始粗晶样品相比,SMRT样品经500℃渗铬处理720 min后（C-SMRT样品）,耐蚀性能显著提升,强度和塑性同步提高。动电位极化曲线测试表明,C-SMRT样品在3.5wt.%NaCl溶液中的自腐蚀电位为-348 mV,高于粗晶样品的-477 mV;在0.5 M Na2SO4溶液体系中,C-SMMRT样品发生了明显的钝化,维钝电流密度为～52.2μA/cm2,而粗晶表现为活性溶解。拉伸实验表明,C-SMRT样品的屈服强度由粗晶样品的～91 MPa提高为～105 MPa,均匀延伸率由粗晶样品的～28%提高为～3 7%。