金属的表面在经过机械研磨处理(Surface Mechanical Attrition Treatment----SMAT)后能形成一定厚度的变形层,其晶粒尺寸由表及里呈现出梯度变化,其中最表层依材料不同形成一定厚度的纳米晶层,可提高其整体使用性能。目前,已有许多关于金属和合金经机械研磨以后表面性能研究的报道,初步弄清了纳米晶形成机制,基本掌握了性能变化规律,并逐步地向实际应用领域推广。目前基于此方法金属的表层纳米结构形成过程、纳米结构的微观组织演变、纳米层的性能与结构关系等的研究正在向着纵深发展。本论文对纯铁表面纳米层的机械性能进行了实验和模拟研究,从材料的晶粒尺寸、硬度与强度的对应关系入手,用ANSYS软件模拟了试样的梯度结构,探究了表面纳米层对纯铁的拉伸过程和强度的影响；对于机械研磨法在纯铁表面获得铁镍合金层的方法进行了工艺改进,获得了较厚的合金层,分析表征了以镍粉和二氧化锆粉体制备的纯铁表面合金层的组织结构；对于小分子CO在Fe(110)表面的吸附,进行了第一性原理的分析,用分子动力学计算MS软件,建立了分子模型,对吸附能,吸附后的结构以及态密度、差分电荷密度进行了分析,为下一步纳米铁的研究奠定基础。本论文的主要结论：1、纯铁表面产生约25μm的纳米层,对于0.5mm厚的试样拉伸测试,发现明显增大了其抗拉强度,减小了其弹性模量(斜率),伸长率则略有减小。由进行了短时的低温退火处理后,试样的弹性模量有所恢复,残余应力和缺陷的减少可能是主要原因。SMAT诱导的表面细化晶层是导致抗拉强度提高的主要原因；同时表面在弹丸撞击下似经历了一定程度轧制,残余压应力存在于表面,裂纹的形成被有效的遏制；此外纳米晶层对内部基体有约束作用,基体中滑移带的发展被有效的阻碍,硬化现象不明显,材料整体的抗拉强度得到了有效的提升。2、对同样尺寸的试样的拉伸模拟计算证实了实验结果。通过所建立的晶粒尺寸--硬度--抗拉强度的对应关系,并通过结构梯度材料的强度模型模拟,可以建立较可靠的模型。纳米纯铁材料拉伸强度的预测值约为400MPa。3、在试样罐中添加镍粉而成为表面合金化方法(Surface mechanical attrition alloy treatment----SMAAT)。经过SMAAT100min+30min600℃退火处理,在纯铁表面发现形成了铁镍合金层(约30μm厚),原子扩散是在表面机械研磨过程中较活跃的现象,证实了在金属表面的合金化现象。经过三次SMAAT100min+30min900℃退火处理,形成了约60μm厚的铁镍合金层,而且扩散的浓度有很大提高,在背散射和线扫描中可以看到明显的合金过渡层,这是由于退火促进了镍粉的扩散所致；合金层形成了FeNi合金相,主要是由于表面强烈塑性变形所形成的缺陷成为镍元素扩散的通道,储存在基体上的应变能为其扩散又提供了能量；硬度值由表及里逐渐减小,经分析这是由于强化相生成、晶粒细化效应和加工硬化效应共同所致。4、对于添加了二氧化锆的试样,SMAAT 100min所得二氧化锆层厚度大约是30至50微米,SMAAT 300min所得二氧化锆层厚度大约是100微米,二氧化锆在基体表面呈颗粒状分布,而且SMAAT过程显著细化了其晶粒；显微硬度增加,一方面是由于二氧化锆本身具有极高的硬度,另一方面是由于晶粒细化和加工硬化。SMAAT过程中形成了合金相ZrFe2和单质Zr,长时间的表面机械研磨处理和多次较高温度的退火更能促进单质锆的形成及扩散。5、通过采用第一性原理简单地计算了CO分子在Fe(110)面上的吸附。揭示一氧化碳在铁表面的吸附、解离、成键机理：CO分子在Fe(110)面的相互作用主要是通过CO分子到Fe原子表面的电荷的转移实现的。