激光喷丸强化技术利用高能短脉冲激光诱导的高幅冲击波压力实施表面改性,能有效改善金属材料中的应力分布和微观组织结构,从而有效延缓裂纹扩展速率、提高零件的疲劳寿命。目前对于裂纹件的激光喷丸延寿技术主要集中于试验研究,而对共性的机理研究相对匮乏,还未形成系统的激光喷丸诱导残余压应力场下裂纹扩展规律及其延寿机理的基本理论。本文对激光喷丸强化的裂纹扩展特性进行理论探讨,研究典型6061-T6铝合金单联中心孔试样和紧凑拉伸CT试样的激光喷丸强化处理工艺,分析表面完整性对疲劳特性的影响,结合疲劳裂纹扩展的宏观断裂力学性能和微观疲劳断口形貌,依据断裂发展的不同阶段,深入细致地描述激光喷丸强化工艺的延寿机理,且对激光喷丸诱导残余应力场下的疲劳裂纹扩展特性进行数值模拟,本文的主要内容有以下几个方面：(1)提出了激光喷丸强化后疲劳裂纹扩展寿命的计算方法及其估算式。基于断裂力学的基本理论,探索了激光喷丸工艺对含裂纹件疲劳裂纹扩展特性（包括疲劳裂纹扩展门槛值、应力强度因子、疲劳裂纹扩展速率、裂纹尖端张开位移及裂纹前沿塑性变形区尺寸)的影响；在综合考虑外加载荷及激光喷丸诱导的残余应力相互作用的基础上,基于Paris公式得出了激光喷丸前后疲劳裂纹扩展寿命的估算公式；基于金属物理的方法,通过对疲劳断口形貌特征的定量描述,分析了激光喷丸作用下裂纹件的疲劳应力及疲劳寿命反推的主要方法,为宏微观结合揭示激光喷丸对金属材料的疲劳裂纹扩展特性及其疲劳寿命的增强机制提供理论依据。(2)系统研究了激光喷丸铝合金表面的完整性及其对疲劳特性的影响。进行了不同激光喷丸工艺参数下铝合金表面及沿深度方向的纳米压痕测试,分析了不同喷丸次数及激光能量对纳米压痕接触深度和接触面积的影响,研究了激光喷丸提高铝合金表层纳米硬度和弹性模量的机制；对激光喷丸后的表面形貌和表面粗糙度进行了测试,分析了表面凹坑形貌、线粗糙度及面粗糙度变化对铝合金疲劳性能的影响；研究了激光喷丸CT试样诱导的残余压应力大小及其分布,分析了不同激光工艺参数对铝合金表面及深度方向残余应力分布规律的影响；测试了不同激光能量下激光喷丸后的显微组织结构,获得了多次激光喷丸6061-T6铝合金的微观强化机制。(3)探索了激光喷丸强化工艺对工件残余应力和疲劳裂纹扩展的影响。以单联中心孔试样为对象,通过轴向载荷、轴向位移与疲劳寿命的关系曲线,分析了不同激光喷丸次数、喷丸轨迹和激光能量与试样疲劳寿命的关系；在此基础上,研究了含预制裂纹CT试样的激光喷丸强化工艺,通过da/dN-AK及a-N关系曲线,分析了不同激光能量和喷丸轨迹对CT试样疲劳裂纹扩展特性的影响；研究了裂纹尖端张开位移与疲劳裂纹扩展速率、疲劳寿命之间的关系曲线,验证了裂尖张开位移作为表征材料疲劳裂纹扩展特性参量的可行性,为激光喷丸参数的选取和工艺准则的制定提供基础实验数据。(4)深入分析了激光喷丸强化的疲劳断口形貌特征,实现了疲劳扩展寿命的断口定量反推。以典型单联中心孔试样和CT试样为例,依据断裂过程发展的不同阶段,系统分析了不同激光喷丸次数、激光能量和喷丸轨迹下,试样在疲劳裂纹萌生区、疲劳裂纹扩展早期、裂纹扩展中期、裂纹扩展区与最终瞬断区的过渡区以及最终瞬断区的宏微观疲劳断口形貌特征及其微观强化机制,研究了疲劳裂纹扩展过程中裂纹前端停止-继续微观断口形貌特征的产生机理；根据不同裂纹长度处测得的疲劳条带形貌,对比分析了宏观裂纹扩展速率和微观裂纹扩展速率,采用梯形法进行疲劳扩展寿命的断口定量反推,验证断口定量反推疲劳寿命的可行性；进行了典型试样疲劳断口的三维形貌重建及其粗糙度分析,得到了疲劳断口的高度差、线粗糙度及面粗糙度的变化趋势。(5)构建了以ABAQUS-MSC.Fatigue软件为平台的疲劳裂纹扩展的数字化分析方法。编制专用ABAQUS/CAE的激光冲击波加载模块,对6061-T6铝合金单联小孔试样及CT试样在不同激光能量和喷丸轨迹作用下产生的残余应力场进行了数值模拟,结合MSC.Fatigue疲劳分析中的数据无缝对接,进行了残余应力场下疲劳裂纹扩展过程的数字化分析,获得了da/dN-△K及a-N的关系曲线；研究了不同激光能量和喷丸轨迹下,疲劳裂纹扩展不同时期驱动力方向上的残余压应力分布对裂纹扩展的抑制性。表明模拟分析与实验结果的一致性较好,为激光喷丸诱导残余应力场下疲劳裂纹扩展特性的预测提供了一种有效的方法。