表面纳米化是通过剧烈塑性变形在块体金属表层形成一定厚度的纳米晶组织，并产生残余压应力和加工硬化效应的处理技术，可有效提高材料的整体性能。本论文采用表面机械研磨技术(SMAT)对密排六方结构Zr-3进行了处理，对其表层组织结构、性能及表层组织纳米化机制进行分析，表征了表层残余应力，并研究了表面纳米化Zr-3的疲劳行为，旨在为锆合金的性能优化和表面纳米化技术的发展提供理论参考。本研究首先对Zr-3合金分别进行15min、30min、45min和60min的SMAT处理，并对处理后的Zr-3试样进行表层纳米显微硬度、拉伸性能以及表面粗糙度测试。利用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对Zr-3试样表层组织及晶粒进行了分析表征。在此基础上，采用残余应力测试仪对SMAT处理试样的残余应力分布进行了分析，研究了残余应力的分布规律。利用四点弯曲疲劳实验测试了试样的疲劳性能，研究了表面纳米化对疲劳性能的影响机制。结果表明：SMAT处理技术可以实现Zr-3合金的表面纳米化，通过XRD计算其表层晶粒尺寸均以达到纳米级别，与透射电镜结果相符；塑性变形以滑移和孪生两种方式协同进行，在试样表层形成一定厚度的强化层。SMAT处理Zr-3试样表层存在残余压应力，且就某一具体处理时间而言，随着距表层深度的增加其残余压应力先增大而后减小，直至拉应力。随着SMAT处理时间的增加，工业纯锆表层残余压应力（srs）先增大后减小，SMAT处理45min试样的srs最大，为-466.5MPa；最大残余压应力（mrs）先增大而后趋于稳定，SMAT处理45min、60min试样的mrs分别为-623.5MPa、-622.3MPa；最大残余压应力距表面距离（Zm）和残余压应力场深度（Z0）都随着喷丸时间的增大而加深。SMAT处理Zr-3试样的疲劳极限显著提高，随着处理时间的增加，疲劳极限先增大而后减小，SMAT处理45min试样的疲劳极限比原始试样提高了23%；在大应力幅作用下，表面粗糙度可能是影响疲劳性能的主要原因，而在小应力幅条件下，表层残余压应力则会对疲劳极限起主导作用。