大多数工程材料的失效一般始于其表面，比如材料的疲劳断裂、磨损以及腐蚀等。这些失效对于材料的表面结构与性质非常敏感，因此优化材料的表面状态能够有效提高材料的整体力学性能。作为一种绿色、高效的表面处理工艺，超声冲击处理(Ultrasonic Impact Treatment)能够以较高的应变率(105s-1)在金属构件表面产生强烈的塑性变形，获得理想的表面状态。本文通过实验研究、数值分析以及理论计算的方法，从高、低覆盖率两类处理条件下，系统研究了超声冲击处理对AISI304不锈钢表面完整性（微观组织、硬度、粗糙度等）以及力学性能（单轴和多轴应力状态下的弹塑性性能、疲劳性能）的改善作用。取得了如下主要结论:　　1、基于Johson-Cook模型，数值分析了超声冲击过程中AISI304不锈钢的动态响应过程，获得不同参数下的残余应力场与表面形貌。结果表明:冲击过程中(5 m/s)，材料的动态响应时间为29.5μs，有9.9mJ的能量传递给材料，其中塑性变形能占到94.5％。冲击处理后，材料表层的残余应力值以及残余压应力层厚度、表面凹坑宽度和深度以及塑性变形层厚度，随速度的增大而增大。覆盖率的增加无法消除表面残余拉应力高值区域（呈月牙状，位于冲击坑的边缘），但是通过提高冲击处理的搭接率可以有效地降低材料的表面拉应力。多次冲击的情况下，当冲击次数达到6次后，材料表面残余应力以及塑性层厚度达到饱和，但是表面塑性变形总量随冲击次数一直增加，带来了表面塑性变形的持续累积，从而细化了表面晶粒。　　2、基于Navarro-Rios(N-R)模型，结合处理带来的残余应力以及应力集中，理论研究了超声冲击处理后材料疲劳短裂纹的行为，考虑了不同冲击速度以及覆盖率对超声冲击处理后AISI304疲劳性能的影响。分析了表面残余应力，粗糙度对裂纹扩展阻力，长、短裂纹转变以及短裂纹扩展速度的影响，获得了相应的优化参数，并通过实验进行验证。结果表明:疲劳短裂纹扩展阻力和扩展速率随冲击速率以及覆盖率的增加而增大;当冲击速度达到6m/s后，由于处理后表面粗糙度的增加削弱了残余应力提升带来的益处，处理后AISI304的裂纹扩展阻力以及扩展速率开始下降。超声冲击速度的提高增加了材料疲劳短裂纹的长度以及转变应力，但是增加覆盖率在提高转变应力的同时降低了疲劳短裂纹的长度。综合考虑，优化后超声冲击参数为:冲击速度6m/s，覆盖率200％。疲劳实验结果表明（由于疲劳实验数据的分散性），处理后AISI304在覆盖率到达200％，冲击速度达到5-6m/s后，疲劳性能达到最佳。　　3、通过金相实验、XRD、纳米压痕等方法研究了高覆盖率下不同的冲击处理参数对AISI304不锈钢表层微观结构的影响。研究发现，冲击处理在材料表面形成三个区域:表面纳米晶粒层(SNL)，强烈塑性变形带(SPDB)以及大塑性变形区域(LDZ);其中SPDB的厚度基本不随冲击参数的变化而变化。处理后材料表面晶粒尺寸随冲击速度和覆盖率的增加逐渐减小，表面晶粒尺寸最大为40nm，最小为20nm，这与通过孪晶变形细化晶粒尺寸机制预测的最小晶粒尺寸相一致。处理后AISI304表面应变诱发型马氏体含量及晶粒尺寸与冲击产生的应变率相关，在低于105s-1应变率的情况下，马氏体含量明显增加，晶粒尺寸为30nm;当应变率大于该临界值，随着冲击速度和覆盖率的增加，马氏体含量增加趋缓，而马氏体晶粒尺寸基本保持不变为20nm。由于晶粒细化、马氏体的产生以及应变硬化等原因，冲击处理后材料表面硬度明显提高;显微硬度最高达到620Hv，而纳米硬度测量值则接近8GPa。冲击速度对显微硬度影响较小，当覆盖率达到9000％时，硬度的增加趋于饱和;当覆盖率超过10000％，材料表面开始形成微裂纹，产生损伤。纳米压痕实验显示，硬度、弹性模量，弹性恢复系数随深度呈线性变化;与未处理前相比，表层弹性模量提高28％，由于纳米晶的形成，塑性变形能力沿深度降低。结果表明，超声冲击处理能够在材料表层产生尺寸梯度变化的纳米晶粒层(Surface gradient nano-grained layer)，从而制得GNG/CG(gradient nano-grained structure formed on the CG substrate)结构材料。　　4、通过单轴拉伸和多轴拉伸方法(Small Punch Test，SPT)，实验研究了不同微观结构GNG/CG304的力学性能。结果表明:随着表面晶粒尺寸的降低，纳米层厚度的增加，单轴应力状态下，GNG/CG304的屈服强度得到了很大的提高(提高了64.1％)，塑性变形能力有一定的下降（断后延伸率降低了22％），抗拉强度变化较小。断口显示，断裂呈典型的韧性断裂，韧窝尺寸沿深度方向梯度变化，变形过程中局部塑性应变得到了有效抑制。应变速率敏感性实验发现，与粗晶材料相比，GNG/CG材料拥有更高的应变率敏感系数，这意味着处理后材料拥有更好的动态力学性能。与单轴应力状态下类似，SPT实验中，GNG/CG304的屈服强度提高了108％，塑性变形能力也有一定程度的下降;多轴状态下，虽然应变局部化也能得到很好的抑制，但是由于应力状态的影响，归一化厚度下，GNG/CG材料的强度出现下降。GNG/CG材料在400℃以下，微观组织仍然保持着很好的稳定性;在各温度阶段，GNG层的存在都能很好的提高材料力学性能。　　5、通过修正N-R模型，提出了一种描述GNG/CG结构材料疲劳性能的模型;研究了超声冲击处理后表面GNG层对材料疲劳性能的影响。结果表明:模型能够有效的预测GNG/CG材料的疲劳极限，GNG/CG结构材料的疲劳极限随着表面晶粒尺寸的减小明显增加;相比于粗晶材料，GNG/CG结构材料的疲劳短裂纹尺寸变短，但是转变应力有所提高;表面晶粒尺寸的细化以及GNG层厚度的增加能够提高疲劳短裂纹的萌生和扩展阻力，有效提高材料的高周疲劳性能。