本发明涉及金属材料微观结构纳米化与性能改进技术，具体是一种实现金属材料表面纳米化的超低温处理方法及设备。该设备由数控车床、硬质合金球形刀头和液氮浸泡式冷却装置等组成，被加工轴类金属工件置于液氮浸泡式冷却装置内，其一端固定在数控车床的工件夹持及旋转机构上，另一端由顶尖固定。工件以一定转速旋转，硬质合金球形刀头与工件表面接触后，压入一定的深度，并以一定的速度从工件的一端向另一端运动，如此反复加工数次，在工件表面引入剪切塑性变形。本发明具有超低温、高应变速率和高应变梯度等特点，可抑制低熔点高纯金属变形过程中的动态回复与再结晶行为，增加材料位错密度，实现微观结构纳米化与力学性能的显著提升。