本文利用一种新型表面处理技术——超声加工(USM)技术对金属材料(球墨铸铁、45钢)进行固定参数的表面改性处理。以杆件、平面试样和工程样件(电机端盖)为对象,采用扫描电镜(SEM)、白光共焦三维显微镜、X-射线衍射分析(XRD)、万能试验机、显微硬度仪等测量分析手段,系统地研究了超声加工技术对金属材料的表面形貌、微观结构、摩擦学性能、机械性能的影响,并对其原因进行了分析,探讨了超声加工的晶粒细化机理。本文的主要研究结果如下:(1)对试样表面三维形貌与微观几何尺寸的测试发现:经过超声加工后,球墨铸铁材料的表面粗糙度明显降低,杆件、平面试样及电机端盖的表面粗糙度Ra值变化率为-35.29%、-81.13%、-76.98%;尺寸变化分别为-8μm、-10μm、-10μm;试样表面加工区与未加工区交汇处产生了高约30μm的材料凸起。超声加工对降低材料表面粗糙度效果明显,但存在对几何尺寸的影响。(2)力学性能试验结果表明:经过超声加工后,材料表面显微硬度显著提高,其中球墨铸铁提高25.5%,影响深度为0.6-0.8mm;45钢提高12%,影响深度为1.5mm-2mm。超声加工试样的抗拉强度降低、屈服强度增加,屈强比变大。超声加工球墨铸铁试样拉-拉疲劳寿命得到明显的提高,这是超声加工产生晶粒细化层、加工硬化、残余压应力、表面形貌等因素共同作用的结果。(3)在油润滑条件下,对GCr15球与超声/未超声处理球墨铸铁盘进行球盘摩擦学试验,发现超声加工摩擦副摩擦系数较未超声加工处理试样摩擦副相比有大幅降低;经过超声加工处理试样表层的磨损及对偶件GCr15的磨损量均有大幅度降低,试样表面的磨损机理也有所不同。超声加工能使材料的减摩、抗磨性能得到明显改善。(4)超声加工的振动冲击使金属材料表层组织发生剧烈的塑性变形,试样表面形成约100μm的塑性流变层;材料表层剧烈的塑性变形通过新晶界的形成以及位错移动等形式进行释放,最终造成晶粒细化和表面硬化,实现了表面机械强化。有限元仿真分析发现,超声刀具进给方向有明显的塑性变形,角度、深度的变化趋势与显微观察到的微观结构变化趋势一致。