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金属材料表面纳米化可以在不改变基体化学成分和外观形状的基础上,制备出从表层到基体连续过渡的纳米晶层,以提高材料的整体服役性能,被认为是金属材料改性的发展方向,具有广阔的应用前景。然而目前由于工艺和设备的限制,只能制备小型样品,不足以投入到工业应用。本课题采用高速旋转丝引起强烈塑性变形实验装置,对316L不锈钢进行表面处理,探讨实现奥氏体不锈钢表面纳米化的可行性。运用金相显微镜、X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等设备研究样品的显微结构变化。运用显微硬度计对处理后样品进行表面硬度测试。结果表明：经过高速旋转丝变形处理后,316L不锈钢表层晶粒细化至纳米量级,尺寸可达12nm,沿深度方向,晶粒尺寸呈梯度分布,逐渐增大至原始晶粒大小；表层显微硬度显著提高,达450HV,相比于基体硬度180HV,提高了近2倍,随着距表面层深度的增加,显微硬度逐渐降低,与显微结构的变化相吻合。对纳米化后的样品进行冷轧处理,以消除纳米化引起的表面粗糙度的增加。对轧制后的样品进行表面粗糙度、显微结构及力学性能测试,研究轧制对纳米晶层的影响。结果表明：冷轧处理后,粗糙度由Rα≈3.5μm,Rz≈15μm,降低为Rα≈1.1μm,Rz≈7μm;晶粒尺寸进一步减小,由高速旋转丝变形后的约12nm减小到约9nm；材料基体的硬度急剧增大,达到原基体的两倍,而塑性大幅下降,断后伸长率由95%降低到52%。对轧制后的样品进行不同温度的真空退火处理,以寻找一个合适的温度区间,在消除形变强化的基础上,保持纳米晶的稳定性。结果表明：在773K以下,晶粒尺寸增加的幅度不大,可以认为表面纳米晶可以在773K以下稳定存在,当退火温度达到973K时,晶粒尺寸由9nm增大到40nm,发生显著长大；退火处理后,残余应力释放,诱发马氏体相变,且随着处理温度的增加,马氏体量越来越多；773K退火1h,表层显微硬度约400HV,基体硬度基本回复到轧制处理前的硬度。