高强度结构钢具有良好的力学性能,在建筑、桥梁、交通运输等领域得到广泛应用。而在实际服役环境中,这些结构往往承受疲劳载荷的作用,疲劳损伤严重制约着其使用寿命,采取一定措施提高材料的疲劳性能已经成为工程结构中可靠性设计的重要内容。对金属材料表面通过引入残余压缩应力,使金属表层组织梯度化,可以实现高强钢疲劳性能的提高。因此,论文提出对ASTM A572 Gr65钢进行超声表面滚压（USR）处理,使材料表层在产生剧烈的塑性变形的基础上改善其疲劳性能。本研究对于高强度结构钢在工程实际中的应用具有重要的实际意义。论文采用超声表面滚压技术对ASTM A572 Gr65钢进行了表面梯度处理,分析了超声表面滚压处理后梯度层的梯度结构、显微硬度和表面粗糙度,探究了超声表面滚压前后的疲劳性能,基于能量耗散探究了循环载荷作用下材料的温度演化,并对疲劳极限进行了评定。探究了表面滚压后疲劳断裂行为和疲劳延寿机理。超声表面滚压处理后,材料从表层到内部晶粒呈现梯度分布,可分为三个区域,即表面细晶层（FGL）、变形晶层（DGL）和粗晶层（CGL）。利用电子背散热衍射（EBSD）对梯度结构进行表征,经过超声表面滚压后的材料,表层小角度晶界增多,几何必要位错密度增大。XRD图谱表明,经过超声表面滚压后没有产生新的物相,滚压后峰强增大,半高宽变宽。超声滚压后材料的表面粗糙度明显改善,车床精车后材料的表面粗糙度为Ra=1.573μm,超声表面滚压处理后,表面粗糙度显著降低至Ra=0.077μm。梯度层的最大显微硬度出现在FGL区的顶层,约为293 HV0.5。在距表层500μm处,硬度值降低到基体程度,即195 HV0.5。梯度结构中硬度呈梯度分布,FGL区的显微硬度明显高于CGL区。超声表面滚压前后拉伸性能结果表明:未处理试样和超声表面滚压试样的屈服强度分别为450 MPa和545 MPa,提高了21%。拉伸过程中的温度演化分为四个阶段,在弹性阶段,热弹性效应导致试样表面温度下降;塑性阶段,试样表面温度逐步上升,当试样发生断裂时,累积的能量释放温度突增,断裂后试样温度恢复至室温。疲劳试验表明,当循环应力峰值没有超过疲劳极限时,循环硬化后棘轮应变保持不变,当循环应力峰值超过疲劳极限时,稳定之后的棘轮应变在循环一定次数下发生不稳定的循环软化,导致棘轮应变迅速增加,试样断裂。在循环加载过程中,伴随着能量的耗散,宏观表现为试样表面温度上升。与循环变形过程中的应变相对应,疲劳过程中的温度演化与材料的应变累积呈现相同的变化规律。超声表面滚压前后试样的疲劳断口呈现三个区域,分别为疲劳裂纹萌生区、裂纹扩展区和瞬时断裂区。裂纹扩展区呈现出准解理断裂特征,瞬时断裂区表现为塑性断裂特征。未处理试样的疲劳裂纹源位于试样表层,超声表面滚压后试样疲劳源转移到材料次表层。利用S-N曲线和红外热像法对滚压前后试样的疲劳性能进行评定。结果表明S-N曲线法得到的超声表面滚压前后的疲劳极限为394.91 MPa和454.15 MPa,红外热像法得到的疲劳极限为385.79 MPa和464.91 MPa。