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表面纳米化是通过表层剧烈塑性变形产生大量的缺陷,发生位错湮灭、重组,形成具有亚微米或纳米尺度的晶粒,且随着温度的升高,表面具有高变形储能的组织也会发生再结晶,形成纳米晶的方法,通过该方法改善材料的表层结构来提高材料的整体性能。本文采用超声喷丸技术(USSP)实现TC4的表面纳米化,并研究其表层组织结构及细化机理,测试分析弯曲疲劳性能及影响因素,分析探讨残余压应力分布及应力稳定性。通过X-射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)、扫面电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)对USSP处理不同时间TC4试样表层组织及晶粒进行了分析表征;采用残余应力测试仪对USSP处理试样的表层残余应力分布规律经进行了测试分析;采用四点弯曲疲劳实验对比测试了不同时间USSP处理TC4试样的疲劳极限;并利用SEM技术对疲劳断口观察分析。此外,还对不同时间USSP处理TC4试样的表层纳米显微硬度以及表面粗糙度进行了测试。结果表明:随着USSP处理时间的延长,表层晶粒尺寸由15 min的55 nm降低到60 min的26 nm左右,而微观应变则由0.173%增加至0.263%。随塑性变形量依次增加,表层位错密度先增加,进而形成位错墙、位错胞,并逐步形成亚晶;再发生晶粒继续细化、取向差逐渐增大得到随机分布的纳米晶,从而获得了具有梯度结构的表面纳米化TC4。实验测得USSP处理试样弯曲疲劳极限最大提高了10.64%;裂纹源萌生于试样表面,疲劳断口由未处理的河流状变为处理后的波浪状;经USSP处理后粗糙度越小,缺口应力集中越小,对应疲劳性能越好。经表面纳米化处理后最大残余压应力值超过TC4材料的屈服强度;外加载荷高于疲劳极限时,残余应力处于快速释放;当外加载荷接近或小于疲劳极限时,循环周次的增减与载荷的大小不再明显改变残余应力值的大小,应力释放达到稳定值;位错及位错胞在疲劳过程中发生了组态和数量的变化,位错密度的降低导致了残余压应力的松弛。