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本文采用超音速微粒轰击（supersonic fine particles bombarding，SFPB）技术对纯钛(TA2)和钛合金(TC4)进行了表面纳米化处理，然后对其进行不同温度和时间的退火。利用金相显微镜(OM)、X-射线衍射仪(XRD)、高分辨透射电镜(TEM)、场发射扫描电镜(SEM)、显微硬度计和差热分析(DTA)等分析测试方法，研究纯钛和钛合金SFPB处理退火前后表层组织结构和性能的变化规律，结果表明: 1.经SFPB处理后，在纯钛(TA2)和钛合金(TC4)表层均形成了随机取向的等轴纳米晶粒，并随喷丸时间的增加，晶粒尺寸逐渐减小。纯钛(TA2)在喷丸30 min后晶粒尺寸趋于稳定，在表层形成了大约220μm的变形层，其中强烈变形层约为50μm，最表层平均晶粒尺寸约20 nm。钛合金(TC4)在喷丸60 min后，表层形成了大约150μm的变形层，其中强烈变形层约30μm，最表层平均晶粒尺寸约15nm。 2.试样表面显微硬度随SFPB处理时间延长明显增加。TA2试样SFPB处理为30 min时，硬度趋于稳定，约为510 HV，大约提高到基体硬度(163 HV)的三倍。TC4经SFPB处理60 min后，硬度趋于稳定，由原来的340 HV提高到了678 HV，提高了近1倍。TA2和TC4二者均随着距表面距离的增加，显微硬度值逐渐下降，直至与基体硬度相同。 3.纳米晶的形成过程与机制:SFPB处理过程中，纯钛(TA2)和钛合金(TC4)均以位错滑移和孪生两种方式变形。塑性变形时，首先发生位错的滑移，随着变形量的增加，位错密度增加并发生塞积现象，引起应力集中，从而诱发孪生变形。孪生变形随着变形量的增加，孪晶形变逐渐由单系变为多系，并通过孪晶与孪晶的相互交割作用，使孪晶尺寸不断细化。同时，由于应变量增加，位错密度增加形成位错墙，并逐渐演变成位错包，位错包通过动态再结晶逐渐形成位错组成的亚晶粒，进而转化为具有大角度晶界的纳米晶。并通过位错的运动逐渐形成纳米级的大角度晶界。 在强烈变形过程中，α和β两相的纳米化的速度并不一致，α相的纳米化进程要比β相快。因此，在相同的喷丸条件下，TA2比TC4获得的变形层厚度要深，晶粒的尺寸变化要大。 4.纯钛(TA2)经SFPB处理后当低于500℃时退火时，组织结构具有良好的热稳定性，晶粒尺寸保持100 nm以下;当退火温度高于500℃时，表面组织发生了回复与再结晶，其晶粒显著长大(＞100nm)。而钛合金(TC4)经SFPB处理后，当退火温度在750℃时，表面晶粒尺寸变化不大，其尺寸＜50 nm。因而，在此温度纳米组织结构具有很好的热稳定性，这将为随后的表面化学热处理提供有利的条件;当退火温度高于800℃时，表面组织发生了回复与再结晶，其晶粒显著长大约为1μm，但要比原始晶粒尺寸小（原始晶粒尺寸为5-10μm）。 与退火温度相比，退火时间对纳米化后的组织和硬度影响较小。 5、经过SFPB处理后的TC4比TA2显示出具有更高的热稳定性。主要原因是:TC4中合金元素的加入不仅可钉扎晶界来抑制晶粒生长，而且在晶界上偏析，可以降低晶界能，从而降低晶粒生长的驱动力。再之，由于TC4钛合金由α+β两相组织组成，纳米级的β第二相对晶粒的长大也起到了一定的抑制作用。