采用表面机械研磨处理技术(SMAT)实现密排六方金属的表面强化,并对其热处理后的表层微观组织结构和力学性能进行分析和探讨,对金属材料表面残余应力的分布进行表征,深入研究材料表面残余压应力对表面强化金属材料疲劳性能的影响。采用X射线衍射(XRD)、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对不同热处理温度下SMAT处理试样表层组织及晶粒尺寸进行了分析表征;采用应力仪对SMAT处理试样及SMAT+热处理试样表层残余应力的分布进行测试分析;利用四点弯曲疲劳实验对比测试在热处理条件下SMAT处理试样的疲劳极限,并对疲劳断口特征进行观察及分析。结果表明:SMAT处理工业纯锆及TC4钛合金经热处理后表面晶粒仍为纳米级,随着热处理温度的升高,表层残余压应力的释放量逐渐增加,残余压应力场深度变小。对于工业纯锆,在SMAT+450℃保温120 min条件下其试样的疲劳极限比SMAT试样降低了13.2%;对于TC4钛合金,在SMAT+450℃保温120 min条件下其试样的疲劳极限比SMAT试样降低了25.5%。热处理过程中,位错发生重组及湮灭,密度降低,导致晶粒微观畸变减小从而使得残余应力降低。表层残余压应力的释放和位错密度的降低,是引起SMAT处理工业纯锆及TC4钛合金试样热处理后疲劳极限降低的原因。