表面纳米化材料具有梯度变化的组织特征,其相对于粗晶材料具有众多优良的特性,且可加工性优于纳米晶材料。这些特性使得表面纳米化材料在开发新型功能材料领域具有广阔前景。本论文采用超声喷丸技术（USSP）对退火态工业纯锆Zr-3进行表面纳米化处理,并对其组织结构与疲劳行为进行研究分析,表征了纳米组织在交变载荷下的演变过程,模拟了交变载荷下的应力场特征,并研究了表面纳米化工业纯锆在交变载荷下的疲劳行为,为锆及其合金的应用和表面纳米化材料的发展提供参考。对工业纯锆进行USSP处理,处理时间为45min。通过金相显微镜（OM）及透射电子显微镜（TEM）表征分析USSP处理后试样的微观组织结构;通过残余应力衍射仪对USSP处理试样表层残余应力分布进行测试分析;利用纳米压痕仪对USSP处理试样显微硬度进行了测试;采用四点弯曲疲劳试验对原始试样与表面纳米化试样的疲劳极限进行测试并采用扫描电子显微镜（SEM）观察分析疲劳断口;利用有限元对Zr-3四点弯曲应力分布进行了模拟,分析表面纳米化对工业纯锆疲劳行为的影响机理。结果表明:表面纳米化处理显著提高了Zr-3试样的疲劳极限,超声喷丸处理后,试样的疲劳极限比未处理试样提高了约26%;且处理后试样的疲劳裂纹萌生于试样的强化层,约距表层100μm,疲劳裂纹为多裂纹源起裂。四点弯曲疲劳载荷下,表面纳米化Zr-3表层残余应力发生了释放,但其实际承受应力仍低于未处理试样。同时,纳米层的高硬度和表层的高畸变,使其具有较高的变形抗力,使裂纹萌生发生在次表层,从而使表面纳米化Zr-3获得了较高的疲劳性能。表面纳米化后试样在疲劳加载中其纳米晶组织会发生晶粒粗化现象,纳米晶在疲劳载荷的作用下会逐渐长大,且外加载荷越大,纳米晶长大幅度越大,疲劳断裂试样纳米晶长大幅度大于未疲劳断裂试样。在加载周次大于100w次后,晶粒分布趋向于纳米晶粒包围粗化晶粒,且纳米晶与粗化晶粒出现分层现象。