喷丸强化常用于提高材料和零件的疲劳强度,是延长疲劳寿命最有效的表面工程技术之一。定量研究喷丸强化对材料表面强化层内三维小裂纹的应力强度因子和疲劳小裂纹的裂纹扩展速率以及疲劳寿命的影响,是当前疲劳与断裂力学研究领域中的一个很活跃并且一直受到重视的课题,其研究所获得的结果最终将改进飞机结构的可靠性与安全性,有着重要的意义。本文首先采用有限元计算软件ABAQUS/Explicit建立TA15钛合金材料单边缺口拉伸试样在陶瓷弹丸和铸钢弹丸两种材料下喷丸强化的三维有限元模型,与试验中X射线法测量得到的残余应力场结果吻合较好。其次利用有限元分析了各种喷丸参数(即喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸形状和喷丸覆盖率)与强化后残余应力场的关系,并将残余应力场用四个特征参数(即表面残余压应力、最大残余压应力、最大残余压应力距表面的距离和残余压应力场的深度)进行表征分析。为了研究喷丸和未喷丸对疲劳裂纹萌生位置和小裂纹形状的影响,采用扫描电子显微镜对疲劳试样断口形貌进行观察分析,分析结果表明:1)喷丸和未喷丸的疲劳小裂纹均从试样缺口根部萌生;2)喷丸强化下的裂纹形态为角裂纹,未喷丸强化下的裂纹形态为表面裂纹;3)两种小裂纹在扩展过程中保持裂纹面半宽a和裂纹深度c的比值稳定,约为a/c=1.0。在由各喷丸参数下引入的残余应力场的基础上,用三维权函数法求解了三维角裂纹在喷丸残余应力场下的应力强度因子,并分析各喷丸参数对残余压缩应力强度因子Kres的影响。计算结果表明:1)当裂纹尺寸较小时,最大残余压应力越大,残余压缩应力强度因子绝对值(-Kres)越大;2)随着裂纹尺寸的增加,残余压应力层越深,-Kres最大绝对值的发生位置也越深;3)当裂纹达到一定尺寸时,-Kres受残余压应力场深度变化规律的影响,即残余压应力场的深度越大,-Kres越大。