利用表面机械研磨方法(SMAT)能够使材料表面产生强塑性变形,制备出一定厚度的纳米晶及超细晶层。同时晶粒细化为渗氮过程中氮原子的扩散提供了快速通道,降低了渗氮温度,加快了渗氮过程。本文通过SMAT方法对工业纯铁进行表面强塑性变形,制备出纳米结构的材料表层,并对粗晶纯铁及强塑性变形纯铁进行不同温度渗氮。选择不同温度对强塑性变形及其渗氮材料进行退火,研究其热稳定性行为。利用光学显微镜、激光共聚焦显微镜、XRD、SEM和TEM等手段对这几种条件下所制备出的纯铁样品进行微观结构表征;利用拉伸实验和显微硬度对其进行力学性能研究,分析了纳米结构强塑性变形层的强韧化机理,主要研究结果包括:(1)通过表面强塑性变形,工业纯铁表面形成了一定厚度的纳米结构塑性变形结构,并且在其最表面形成了等轴的纳米尺度晶粒。SMATFe屈服强度和拉伸强度随塑性变形程度的增加而增加,加工硬化率随变形程度的增加而降低。SMATFe经渗氮后表面形成了化合物层和氮的扩散层,500℃渗氮后化合物层和氮的扩散层大于420℃渗氮。(2)SMAT Fe与SMAT后渗氮样品表层硬度明显提高,SMAT Fe随塑性变形程度增加均匀延伸率减少。SMAT后420℃渗氮样品的强度高于SMAT后500℃渗氮样品,延伸率下降。(3)SMAT Fe在400℃退火时,最表层材料仍维持纳米结构。与SMAT Fe相比,200℃～300℃退火后材料的屈服强度、拉伸强度与塑性均得到明显提高,SMAT Fe在较低温度退火后强塑性变形层韧性明显增加。(4)渗氮的SMAT Fe在600℃退火能够保持其屈服和拉伸强度,维持其热稳定性。塑性变形层及其中氮化物的强化仍起主要强化作用。