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激光冲击纳米化强化技术作为一种新的研究领域，是基于激光冲击强化技术延伸实现的，表面纳米化处理可以极大的提高金属表层的综合力学性能，延长金属的使用寿命。金属的机械性能与其内部微观结构息息相关，因此，研究激光冲击处理对金属表层力学性能和微观组织演变的影响以及晶粒纳米化机制很有必要。本文以Ti-6Al-4V钛合金为研究对象，利用理论及实验相结合的方法，揭示了小能量多次激光冲击加载致金属表面纳米化及强化过程，其主要研究内容与成果如下: (1)结合传统塑性变形理论以及动态冲击波载荷作用形式，从理论角度对激光等离子体冲击波加载过程即高应变率下的动态冲击波变形响应过程进行分析，阐述了金属材料在剧烈塑性变形下的微观结构响应机制，确定了激光冲击Ti-6Al-4V钛合金的工艺路线和实验参数。 (2)研究了不同激光能量和冲击次数对Ti-6Al-4V钛合金的表面形貌和显微硬度的影响。实验结果表明:选择合适的激光冲击实验参数可以实现对试样表面的修复作用;表面显微硬度随着激光冲击能量和次数的增加而增加，强化机制主要为位错强化和孪晶强化。 (3)分析了激光冲击载荷下Ti-6Al-4V钛合金两相协调细化机制并且建立了晶粒细化模型。其主要研究结果:激光冲击能量为7.9J双次冲击时材料表面晶粒尺寸可以达到亚微米级尺度;两相的细化机制有所不同，α相主要为孪晶系的交割作用，β相主要为位错运动，两相协调细化提高冲击表面的强度。 (4)证明了激光冲击加工Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化技术的实现可能，揭示了Ti-6Al-4V钛合金从亚微米级尺度晶粒转化为纳米尺度晶粒的演变过程以及纳米化机制。主要研究成果:7.9J多次激光冲击后，Ti-6Al-4V钛合金的两相衍射峰均有出现宽化，说明表面微观应力变大，晶粒群细化作用明显;7.9J激光冲击三次时，表面硬度增加幅度加大，三次以上幅值变缓，原因可能是冲击三次之后试样表面出现较多纳米晶粒有关，晶粒尺寸实现微米级至纳米级的跨越;激光冲击3次以上时表面纳米晶分布更均匀，两相界限模糊，位错缺陷变少，出现“纳晶平衡”现象。纳米晶的形成主要是“动态再结晶”的过程，多次激光冲击可以为亚晶形核提供足够的能量和时间，新晶在高应变区形核长大并且发生旋转，最终形成取向随机、分布均匀的纳米晶群。