工业的快速发展对材料的表面性能的要求也越来越高,材料的失效破坏大多发生在表面。为了提高材料的服役寿命,表面强化技术得到了广泛的应用。通过强烈塑性变形的方式材料表面可以获得取向随机的纳米晶,同时晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度结构。这种梯度纳米结构可以显著提高材料的整体性能和服役寿命。作为一种绿色、高效的表面处理工艺,超声喷丸处理能够以较高的应变速率在金属构件表面产生剧烈的塑性变形,从而获得理想的表面性能。本文重点研究了超声喷丸表面处理方式对工业纯钛表面完整性和对力学性能的改善。得出了以下结论：(1)通过金相实验、透射电子显微镜等测试方法研究经超声喷丸处理的工业纯钛梯度表层的显微结构。研究发现,超声喷丸处理将材料表面大体分成了三个区域：剧烈塑性变形区、过渡孪晶区和基体。随着静压力和处理次数的增加,变形层的厚度也在增加。通过对不同深度位置的透射电镜观察发现,晶粒细化是机械孪生、位错滑移等多种方式共同作用的结果。(2)经过超声喷丸处理后表面粗糙度得到明显改善。由于晶粒细化、应变硬化等原因,梯度层硬度值明显提高,形成残余压应力场。在400℃下保温1个小时,梯度层晶粒首先开始异常长大。(3)通过纳米压痕和单轴拉伸的方式获取超声喷丸处理后样品的微观和宏观力学性能。经过处理后,梯度层弹性模量略有降低,纳米硬度和屈服强度提升明显。通过单轴拉伸实验研究表明经过超声喷丸处理后屈服强度提高,韧性下降,但韧性也在30%以上,具有良好的强度-塑性匹配。(4)拉-压疲劳试验实验表明超声喷丸处理可以有效地阻止裂纹在表面萌生,提高了疲劳寿命。热处理后试样的疲劳寿命进一步提高。