镁合金由于密度低,比强度和比弹性模量大,消振性和导热导电性好,是理想的轻量化金属结构材料,但是镁合金的硬度、抗拉强度和屈服强度较低,目前主要应用在汽车,航空航天,通信等领域的非关重件中。为了扩大镁合金的应用范围,需要改善其力学性能。超声表面滚压技术能使表面强化,同时起到改善整体力学性能的作用。因此,本文系统地研究AZ31B镁合金的超声滚压工艺及其表面强化效果。通过响应曲面法优化超声滚压加工参数,获得具有代表性宏微观表面特性的试样并进行拉压力学性能测试,分析滚压参数和表面宏微观特性与力学性能的关系,揭示表面强化机制。通过车削和超声滚压对挤压态AZ31B镁合金棒材进行表面处理,分别研究超声振幅、滚压道次、静压力单个因素对试样表面粗糙度和力学性能（硬度、拉伸/压缩性能）的影响。结果表明,随着超声振幅、滚压道次和静压力单个因素的增大,表面粗糙度、抗拉强度、抗压强度均先增大后减小,维氏硬度逐渐增大,冷作硬化作用增强,压缩屈服强度增大。单个因素取最高水平时,试样的表面粗糙度最小;单个因素取中间水平时,试样的拉压强度最高。通过响应曲面法研究超声滚压多因素（超声振幅、主轴转速、滚压道次和进给速度）交互作用对表面粗糙度和硬度的影响,发现滚压道次的平方、滚压道次和进给速度的交互作用对二者的影响都较显著;通过方差分析,得到表面粗糙度、维氏硬度的回归模型,用来预测响应目标值,为AZ31B镁合金的超声滚压工艺提供依据;通过多目标优化,获得一组表面粗糙度和硬度综合最优加工参数和对应的加工结果。相比车削试样,利用优化参数加工得到的试样表面粗糙度降低了81.43%,维氏硬度提高了48.78%,说明超声滚压降低AZ31B镁合金表面粗糙度的同时,提高了显微硬度。利用车削参数、超声滚压多因素实验中表面粗糙度最大和最小、硬度最大和最小试样、以及双目标优化结果对应的参数分别加工6组微观组织测试试样、6组拉伸试样和6组压缩试样,并进行金相组织测试和拉压力学性能试验。金相组织测试结果表明,超声滚压强化变形层由内到外依次是基体、孪晶层和晶粒细化层。基体的晶粒平均尺寸约为55μm。表面粗糙度最小试样的变形层深度达551μm,其中,孪晶层厚度约200μm,晶粒平均尺寸约15μm;晶粒细化层厚度约351μm,晶粒平均尺寸约2μm。与车削试样相比,孪晶层和晶粒细化层的晶粒平均尺寸分别减小了72.72%和96.36%,局部区域达到纳米级。维氏硬度最大试样的变形层深度达633μm,其中,孪晶层厚度约200μm,晶粒细化层厚度约433μm,与表面粗糙度最小试样相比,晶粒细化层的厚度有所增大,但晶粒平均尺寸变化不大。对于抗拉强度,滚压后表面粗糙度最大试样、表面粗糙度最小试样、硬度最小试样、硬度最大试样和优化加工试样比车削试样分别提高了11.02%、20.00%、22.96%、15.35%和17.96%;对于抗压强度,滚压后表面粗糙度最大试样、表面粗糙度最小试样、硬度最小试样、硬度最大试样和优化加工试样比车削试样分别提升了4.51%、7.96%、7.16%、9.28%和6.37%。说明双目标优化试样的拉伸和压缩强度介于表面粗糙度最大和最小试样之间,较低的表面粗糙度对于拉伸和压缩强度的提高都更有利,较高的硬度更利于压缩强度的提高,却不利于拉伸强度的提高。综上所述,超声滚压诱发的塑性变形使得表面形貌改善、表层晶粒细化和力学性能提升,为AZ31B镁合金的表面强化和力学性能改善提供了工艺参考,为强化后AZ31B构件的设计提供了材料参数。