本文采用喷丸的方式分别对0Cr18Ni9Ti不锈钢、TA17钛合金、HRB400低碳钢以及AZ31镁合金进行了表面机械研磨处理。借助金相观察、扫描电镜观察、透射电镜观察、X射线衍射分析以及显微硬度测试等手段对经过处理的试样进行了详细的表征。研究结果表明,在0Cr18Ni9Ti不锈钢、TA17钛合金、HRB400低碳钢表面获得了纳米结构层,通过喷丸的方式实现了这三种金属材料的表面自纳米化;在AZ31镁合金表面仅获得亚微米级的超细晶粒,没有得到纳米结构层。经过表面机械研磨处理后,0Cr18Ni9Ti不锈钢试样表面产生了剧烈的塑性变形,并从最表面到基体形成了这样一个梯度结构:剧烈塑性变形层、过渡层以及基体,其中剧烈塑性变形层又可以分为纳米结构层和超细结构层。剧烈塑性变形层的深度随处理时间的增加而增加并最后稳定在250μm左右,而试样表面全部变形层的深度则可达700μm左右,这也是喷丸时弹丸在0Cr18Ni9Ti不锈钢试样表面引起的应力应变所能影响到的试样内部的深度。经过1min的处理即可在0Cr18Ni9Ti不锈钢试样最表面获得纳米晶,试样最表面的晶粒尺寸随着处理时间的延长而减小,处理13min后试样最表面的晶粒尺寸约为52nm。晶粒尺寸随距最表面距离的增加而增加,对于处理13min的试样,纳米层的深度约为70μm。在表面机械研磨处理的过程中,0Cr18Ni9Ti不锈钢试样表面发生了应变诱导的ε马氏体相变,其中ε马氏体具有密排六方结构(hcp)。0Cr18Ni9Ti不锈钢试样最表面只要经过短暂处理即可完全转变为马氏体;与此同时,马氏体含量沿试样纵向深度方向衰减也较快,基本呈指数关系递减,对于处理13min的试样而言,据最表面80～100μm处已基本不存在ε马氏体。处理后的0Cr18Ni9Ti不锈钢试样表面层显微硬度显著提高,并且沿纵向深度方向逐渐递减直至与基体持平。与基体相比,0Cr18Ni9Ti不锈钢试样最表面的显微硬度最高可以提高约2.5倍。TA17钛合金经过表面机械研磨处理后,获得了与0Cr18Ni9Ti不锈钢类似的具有梯度结构的表面层。从试样最表面开始直到试样基体部分,显微组织依次为:纳米结构,亚微米级超细结构,孪晶交叉形成的菱形块(LTMABs)与位错缠结、位错墙共存,高密度孪晶及孪晶交叉形成LTMABs,单系孪晶,最后是没有变形的基体组织。经过13min处理的TA17钛合金试样,剧烈塑性变形层的深度可达230μm。试样最表面的晶粒尺寸随着处理时间的延长而减小,经过13min处理后,晶粒尺寸可以达到30nm左右。处理5min的试样,纳米结构层厚度约为50μm;对于处理13min的试样,距试样最表面50μm处晶粒尺寸约为90～95nm,因此其纳米结构层比处理5min的试样稍深。经过表面机械研磨处理实现表面自纳米化后,TA17钛合金试样表面层的耐蚀性能较差,受腐蚀后很容易造成表面层的纳米晶粒脱落。经过表面机械研磨处理后,TA17钛合金表面的显微硬度同样会显著提高,与基体相比,处理试样最表面的显微硬度可以提高近2倍。经过处理后的试样,显微硬度沿深度方向成梯度分布,在距最表面约500μm处趋于与基体持平。对于HRB400低碳钢,经过表面机械研磨处理后在试样最表面获得了纤维状组织。对于处理13min的试样,其纤维宽度在100nm以下,纤维又由很多100nm以下的晶粒组成,即该纤维组织具有纳米结构。经过处理的HRB400低碳钢试样中剧烈塑性变形层的深度约为200μm,整个变形层的深度约为500μm。经过处理后试样最表面的显微硬度最高可以提高1.7倍左右,显微硬度沿深度方向同样成梯度分布。在表面机械研磨处理过程中,AZ31镁合金试样表面金属大量脱落,造成AZ31镁合金试样没有剧烈塑性变形层,同时处理后表面层中形成了大量裂纹。经过处理后,AZ31镁合金试样最表面的晶粒尺度在亚微米级范围。处理后的AZ31镁合金试样表面层显微硬度增加不明显,最表面的显微硬度随处理时间变化不大,基本维持在90HV0.025左右。本文的研究结果还表明,将表面自纳米化技术用于0Cr18Ni9Ti不锈钢和TA17钛合金的扩散焊接中,可以提高焊接过程中元素的扩散系数和接头强度。