喷丸强化是提高金属材料性能的重要工艺措施之一，空化射流喷丸技术是利用高速高压射流冲击到材料表面的过程中产生气泡，气泡在材料表面溃灭产生高温、高压冲击，引起材料表面的塑性变形产生残余应力，以此增强材料的表面性能。与传统喷丸相比空化射流喷丸具有强化效果好、成本低、绿色环保、便于实现自动化等诸多优点，近年来研究广泛。本文以空化水（乳化液）射流技术为基础，以实现高效、绿色喷丸强化和提高金属产品性能为出发点，采用理论分析的方法，对空化射流中空泡的初生、发展及溃灭过程进行了分析；采用数值模拟的方法，对角型喷嘴在淹没状态下的空化射流利用ANSYS-FLUENT软件进行了不同进口压力下的流场模拟，建立了空化射流试验装置；采用试验研究的方法，利用该试验装置对45钢、黄铜、Q235A和316不锈钢进行空化水（乳化液）射流喷丸强化，测试空化射流喷丸前后材料性能变化；并利用ANSYSY/LS-DYNA软件建立模型，模拟空化水射流喷丸诱导产生残余应力应变的规律，与X射线残余应力测定试验中测得的残余应力对比，验证了空化射流喷丸对材料的强化效果，为实际应用提供了理论参考。在理论分析及前人研究成果的基础上，对收缩角13.5°、扩张角30°、圆柱段直径1mm结构的角型空化喷嘴，利用ANSYS-FLUENT软件，采用RNG κ-ε紊流模型进行了流场特性模拟分析，发现对于该结构的角型空化喷嘴来说，在出口压力不变的条件下，不同的入口压力是影响空化强度的一个重要因素，随着入口压力的增加，空化现象不断增强，但10MPa后空化现象增强的幅度变小。并通过高速摄像机对不同压力下试验系统的外部流场进行摄像得到验证。在常用的工程材料中，选取了调质钢、结构钢及耐磨材料里比较有代表性的45钢、黄铜、Q235A和316不锈钢进行空化水（乳化液）射流喷丸强化，并将强化前后的性能、宏观及微观结构进行了对应的比较，分析了空化射流对材料表面性能的影响，得到了对应的最佳强化参数。在45钢的强化过程中得到该试验系统的最佳工艺参数，在该参数下对45钢进行强化试验可以显著提高45钢材料表面硬度，在45钢表面形成一定厚度的硬化层，并且处理后材料表面的粗糙度与传统喷丸相比大幅度降低，使材料的表面性能得到提高。利用空化水射流设备对黄铜表面进行空化喷丸强化，在最佳工艺参数下黄铜表面硬度显著提高，并且在黄铜表面形成了一定厚度的硬化层，强化后的黄铜表面在摩擦磨损测试过程中摩擦系数和磨损量降低，提高了黄铜的耐磨性。配置后的乳化液具有较好的防锈效果，利用空化乳化液射流对Q235A材料进行强化，并对强化后的材料进行三点弯曲疲劳试验，发现空化乳化液射流能够显著提高Q235A材料的疲劳寿命。利用空化水射流对316不锈钢进行空化喷丸强化，试样表面无明显宏观塑性变形，冲击影响区存在大量弥散分布的点蚀坑，试样冲击影响区塑性变形较为显著；通过残余应力测试表明在316不锈钢冲击影响区产生了较大的残余应力。利用ANSYS/LS-DYNA环境建立空化水射流喷丸诱导残余应力模型，得出完全阻尼设置更加真实有效的反映了应力波的传播过程以及等效应力的变化规律；在冲击压力一定的条件下，沿Z轴残余应力的大小和最大残余应力层的深度都随着冲击波次数的增加而增加；对比试验结果与数值模拟结果，发现施加压力为1.4GPa时残余应力的模拟结果和空化水射流喷丸工艺参数为T=10min、P=20MPa、S=30mm时的试验实测结果基本吻合。说明运用ANSYS/LS-DYNA模拟软件可以有效地实现对空化水射流喷丸诱导残余应力场分布规律的预测。