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在实际生产过程中，锻造、切削、焊接、热处理、装配等工艺过程都会使工件内部出现不同程度的残余应力。残余应力会影响工件的结构强度、静载荷刚度、疲劳强度、尺寸的稳定性，甚至会使工件产生裂纹或变形，因此消除工件内部残余应力是生产过程中不可或缺的一道重要工序。通常消除残余应力有自然时效、热时效和振动时效三种方法，而振动时效工艺以低能耗、低成本、高效率、高环保等优点，逐步替代了工件的自然时效和热时效工艺。目前国内对振动时效的研究主要集中在低频振动时效，研发的低频振动时效设备在生产中得到大量的应用，并取得了良好的效果。然而小型零件的一阶固有频率都超出了低频范围，现有的低频振动时效方法难以消除其残余应力，但随着产品的小型化、精密化发展，对小型零件尺寸稳定性要求越来越高，为此本课题提出了针对小型零件的超声振动时效方法。其主要特点在于低振幅高频率，单位时间的输入能量较大，消除残余应力时间短。目前在超声振动时效机理研究、设备研制以及推广应用方面上研究较少。针对上述现状，本课题主要研究内容如下：（1）搭建了超声振动装置和压力机平台，设计了试验所用的超声变幅杆以及杆件试样，对试验杆件中残余应力做了理论计算。并用ANSYS模拟仿真杆件内部的残余应力,最大残余应力的理论值和仿真值误差较小。结果显示，采用模拟仿真可清楚准确地得到杆件内部残余应力的分布。（2）采用了x射线衍射法，精确无损地测量超声振动时效处理前后杆件表面残余应力。通过几组对比试验，对小型零件残余应力的消除效果进行定量评定。实验结果表明，残余应力峰值明显减小，整体残余应力分布均化，证明了超声振动时效消除小型零件内部残余应力的有效性。（3）探索了消除残余应力效果评定的新方法。采用扫描电子显微镜观察超声振动前后工件的位错密度，通过比较位错密度的分布可直接评定残余应力的消除效果。（4）探讨了超声振动时效消除残余应力的微观机理，首次提出了超声振动时效机理与低频振动时效机理的不同，超声振动消除残余应力的效果取决于零件内部晶粒获得的振动能量。在超声振动时效中，即使当构件内残余应力与动应力时叠加之和小于材料的屈服极限时，也能消除工件内的残余应力，并通过试验进行了验证。