材料表面完整性主要包含两方面：材料表面纹理变化，包括表面粗糙度和宏观缺陷等；材料物理性质变化，包括显微组织、表面硬度和残余应力等。激光喷丸工艺参数（脉冲功率密度、脉冲宽度、喷丸路径、覆盖率）的选择影响改善材料表面完整性的效果。

粗糙度方面，单次激光脉冲会在材料表面留下微坑，如图 2 所示。随喷丸道次增加，大量微坑相互叠加，受喷部位将变得凹凸不平。Hu等研究了激光喷丸不同覆盖率下增材制造 TC4（Ti–6Al–4V）钛合金的表面完整性，结果表明：100%覆盖率时，相较原始表面粗糙度有明显提升，但在 300% 及 500% 覆盖率条件下，表面粗糙度变化不大；此外，激光喷丸造成的机械变形还可降低增材制造 TC4 钛合金的孔隙率。Rai 等对 9Cr–1Mo（P91）钢进行激光喷丸处理后发现，其表面粗糙度相较原始表面略有提升，Ra 值由12.5μm 增长至 14.7μm，与常规喷丸相比，激光喷丸对材料表面粗糙度的改变十分有限。Soyama采用空化喷丸、水射流喷丸、激光喷丸、机械喷丸等不同技术对 316L 不锈钢进行了表面处理，并对不同处理后的表面完整性特征进行了对比分析，结果表明：机械喷丸处理后试样表面粗糙度明显高于其他 3 种处理技术，激光喷丸与空化喷丸效果类似，均在一定程度上改变了材料表面形貌，水射流喷丸对表面粗糙度影响很小。

表层硬度方面，激光喷丸因使材料表层发生了显著应变硬化而使局部硬度值有明显提升，形成了从表层到基体依次降低的硬度梯度，且硬度提升效果随激光喷丸道次、覆盖率及束流功率密度的增加而增长。同时，与常规喷丸类似，激光喷丸对硬度的提升也存在“饱和值”，即当材料表层硬度达到一定程度后，即使继续增大脉冲功率密度，增加喷丸道次和覆盖率，材料硬度也难以进一步增加。Cui 等对 6061 铝合金表面进行激光喷丸处理，并将硬化层划分为外表层的剧烈塑性变形区和次表层的温和塑性变形区；次表层硬度值由基体的 75HV 大幅提升至 135HV，外表层硬度值保持在135~140HV，说明次表层位错密度迅速增加，至外表层达到最大，其硬度增长规律与常规喷丸基本一致。

表层残余应力方面，与机械喷丸、超声喷丸、水射流喷丸等表面改性方法相比，激光喷丸引入的残余压应力层深要大得多，使其在抑制疲劳裂纹扩展方面具有优势。Kashaev等观察到，经激光喷丸处理后，AA2024 铝合金的疲劳裂纹扩展速率有明显延迟。Kattoura 等通过激光喷丸在 Inconel 718 高温合金表层引入了很深的残余压应力，显著改善了试样的疲劳性能。值得注意的是，常规喷丸处理后试样的残余压应力分布大多为“对号”型，即最大残余压应力出现在次表层，而激光喷丸后表层残余压应力几乎全部呈单调分布，即最大残余应力在外表面出现，产生上述差异的原因至今仍不明晰。

微观组织方面，由于激光喷丸可以在瞬间产生极高的局部压力，故受喷零件表层应变速率很大，可达到106~108s–1，相较常规喷丸（104~105s–1）要高出 2~3 个量级。Rai 等 [27] 研究得出，9Cr–1Mo（P91）钢激光喷丸后微观组织演变为位错主导，表层组织先后经历了：大量位错开动→位错墙生成→位错墙吸收内部位错形成亚晶等过程。与 Li 等采用机械喷丸对 TC4 钛合金进行表面强化处理得到的结论类似，微观组织演变以位错缠结、位错墙、位错胞、亚晶等为主要特征。Zhao等引用应力波前方位错密度模型解释了表层的高密度位错结构。

其中，ρd 为应力波前方位错密度，k为取向参数，b0 为伯氏矢量，v 为泊松比，V 和 V0 分别代表受压前后体积。由式中可以看出，表层某深度位错密度与局部体积压缩率 V/V0 呈反比，表面受应力波影响最大，体积压缩最严重，因而位错密度最高；次表层随深度增加，体积压缩程度逐步降低，位错密度也随之下降。Lou 等对不同层错能的金属材料经激光喷丸处理后表层组织演变规律进行了研究，结果表明：对于层错能较高的金属（如 TC6），位错滑移是其表层主要变形机制，位错运动形成位错壁和位错细胞，随应变积累形成亚晶，并最终通过吸收位错生成大角度晶界，使晶粒得到细化；对于层错能较低的金属（如 AISI 304 不锈钢），分位错难以交叉滑移形成位错墙和位错胞，而更倾向于生成孪晶，这是因为孪晶在塑性变形过程中会阻碍位错的运动，在持续激光喷丸过程中，材料表层依靠孪晶分割形成亚晶界，最终实现晶粒细化。Lainé 等借助电子背散射衍射（Electron back scattered diffraction，EBSD）对 TC4 钛合金在机械喷丸和激光喷丸下应变层晶粒取向分布（Grain orientation spread，GOS）进行了细致表征，并对微观变形机制进行了深入探讨（图 3），提出了在机械喷丸造成的高应变速率下，微观组织中可同时观察5位错缠结和形变孪晶，而在激光喷丸带来的超高应变速率（106s–1）下，仅在近表层观察到了数量极少的纳米尺度孪晶，较深处形变孪晶消失，其微观组织主要由平面位错、位错墙及位错胞构成，将这一发现解释为出现了适配超高应变速率的高速位错，该发现也为其他学者提出的高速位错理论提供了又一证据。