超声波是频率大于20kHz的一种高频机械振动波。作为一种高强度能量,超声波已经越来越多的被应用到塑性成形领域。本研究主要分为两部分：1)超声波镦粗变形细化材料晶粒,制备块体纳米晶材料；2)超声波喷丸处理对试件进行表面强化。在现有的研究中,超声波直接施加在模具上,通过模具的振动改变传统塑性变形中的摩擦行为及金属流动行为。另有研究表明,超声波在固体材料中传播时能够增加材料位错密度、降低材料的内摩擦力并产生热。本研究将超声波直接输入到坯料中,同时对坯料进行镦粗变形。在超声波产生的交变应力场与弹塑性变形产生的应力场的耦合作用下,使坯料发生剧烈塑性变形,细化材料晶粒,制备块体纳米晶。此部分的研究主要包括以下几点：(1)对于超声波在圆棒中的传播进行了数学分析,获得了超声波在圆棒中传播的粒子位移和应力波动方程。对于特定边界条件下(圆棒一端固定,一端为应力自由端)的应力波动方程进行了求解,获得了超声波在圆棒中传播时所引起的应力分布。建立了超声波在圆棒中传播的3D有限元模型,通过对比有限元模拟结果与数学分析结果,确定了超声波在有限元模拟中的加载边界条件。在此有限元模型的基础上分析了圆棒底面质点振动的振幅和应力随时间的变化情况,以及圆柱底部端面车成圆锥面后对超声波传播的影响。同时,研究了杆的外形尺寸及杆内孔尺寸对杆的自振频率的影响。(2)对纯铜尖锥进行了超声波镦粗变形和传统镦粗变形实验。建立了2D超声波镦粗变形有限元模型,对比研究了超声波镦粗变形和传统镦粗变形过程中金属流动、压力行程曲线及变形过程中的应力应变分布。系统分析了超声波镦粗变形和传统镦粗变形过程中的金属流动和变形机制。(3)对超声波镦粗变形后纯铜尖锥剧烈变形部分采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)进行测试,分析了在大塑性变形过程中晶粒细化机制。结果表明：经过一次超声波镦粗变形后,纯铜晶粒从初始的50μm细化到150-300nm；在相同的压下量下,传统镦粗变形后材料晶粒从初始晶粒尺寸～50μm仅细化到20-30μm。这表明超声波能使塑性变形更加剧烈,提高晶粒细化效率。另外,在TEM测试基础上,分析了在晶界演变过程中晶界对材料硬度的影响。在综合考虑晶粒大小和晶界厚度两个因素情况下,获得了材料硬度的表达式。(4)采用6061铝合金尖锥进行了超声波镦粗变形实验,重点研究了合金中的第二相粒子Mg2Si在剧烈塑性变形过程中的演变过程。本研究表明第二相粒子的硬度及尺寸是影响晶粒细化的重要因素。如果粒子的硬度较高(如A1203),则粒子能有效的定扎位错,促进位错的产生,减小位错滑移距离,从而加快晶粒细化。如果粒子的硬度较小(如Mg2Si),则在塑性变形过程中,位错将此粒子切割,使粒子破碎。当粒子尺寸减小到某一临界值时,粒子能够起到钉扎晶界的作用。论文第二部分研究采用超声波喷丸工艺对1018低碳钢进行了表面强化。研究了喷丸距离、喷丸时间、钢球直径和钢球数量对于喷丸后试件获得的大变形层深度及表面粗糙度的影响。研究表明：随着喷丸时间的增加,喷丸距离的减小,大变形层增加；当喷丸数量刚好覆盖满超声波放大器上端面时,喷丸效果最好；而随着钢球直径的增加,大变形层先增加而后减少。喷丸距离、喷丸时间和钢球数量对于喷丸后的表面粗糙度影响较小,钢球直径对表面粗糙度影响明显,随着直径的增加表面粗糙度增加。本研究提出采用钢球直径逐级减小的多次喷丸工艺,试件即可获得深的大变形层,又可以获得高的表面质量。