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气体渗氮是目前工业上应用最广泛的金属材料表面强化技术之一，它可有效地提高工件表面的硬度、强度、抗腐蚀能力和抗摩擦磨损能力。然而，由于反应动力学和热力学方面的限制，气体渗氮过程一般需在550℃以上长时间保温进行。此工艺不但使气体渗氮工艺成本提高，也对材料心部的力学性能和工件尺寸精度产生了严重的影响。因此，降低气体渗氮温度、加速反应动力学过程是钢铁材料表面渗氮研究的主攻方向。
本工作采用最近发展的表面机械研磨技术(SMAT)，在纯Fe样品表面制备出纳米结构表层，而后对其退火和气体渗氮行为进行了研究。利用X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等分析手段对渗氮层进行了结构表征，并对氮原子在纳米结构表层的扩散激活能进行了粗略测定。主要研究结果包括：
1、SMAT纯铁在较高温度下退火后仍具有较好的热稳定性。在500℃退火1个小时，SAMT纯铁的表层和次表层均未发生再结晶，但晶粒尺寸已明显发生长大，处于微米量级。当退火温度过高时，SMAT纯铁表面的纳米结构层的热稳定性就会丧失，在550℃退火时，SAMT纯铁表层发生了充分再结晶，而次表层没有发生再结晶，但该层硬度明显降低。
2、表面机械研磨技术(SMAT)极大地提高了纯铁的渗氮能力。氮原子在α-Fe中的扩散激活能测量值为46.39kJ/mol，仅有粗晶纯铁(76kJ/mol)的0.6倍，样品的渗氮层层深与其渗氮处理时间的关系满足经验公式ξ1.538=Kτ
3、实现低温渗氮的主要原因在于纳米纯铁中存在着大量的晶界和其它结构缺陷。这些缺陷使得氮原子在纳米材料中的扩散速度加快，在样品表层易形成高的氮浓度，并且可大幅度提高氮化物的低温形核率。同时，纳米材料有较高的自由能，改变了渗氮反应的热力学条件，使得气体渗氮反应易于在低温下进行。
4、SMAT纯铁气体渗氮(500℃)处理后，微晶结构的渗氮层沿深度方向根据其结构特点可被分为四层。表层为化合物层，主要由ε-Fe3-2N相和γ-Fe4N相组成，显微硬度可达到650Hv；第二层为强塑性变形(亚微米晶)渗氮层，TEM观察发现在该层有大量细小的颗粒状氮化物析出；第三层为塑性变形渗氮层，该层有大量弯曲的针状或线状氮化物析出；最后是基体渗氮层，有大量直的针状γ-Fe4N相析出。微晶结构的渗氮层具有较高的硬度和耐磨性。