40Cr合金钢因其具有较高的强度、良好的韧性和塑性而广泛应用于制造各种轴类部件。制动凸轮轴的表面磨损失效限制了挂车高速重载的需求,直接关系到挂车的行车安全。因此,为了增强40Cr合金钢制动凸轮轴的抗磨损性能,通常采用传统的感应淬火（Induction Quenching）技术,但是该技术由于需要将整个表面加热,能耗较多、生产成本高,存在加工效率低、热处理变形难以控制等缺点。因此,寻求一种简单、环保、高效的方法来代替传统的感应淬火技术具有重要的实用价值和理论意义。仿生学的出现,为人类提供了一把打开自然、学习自然的钥匙,很多科学研究和工程技术问题都在自然界中寻求答案。通过对自然界具有良好耐磨性生物体表特征的模仿来再现其功能,提高机械部件表面性能、延长使用寿命。受此启示,本课题组致力于研究利用激光加工的方法在材料上制备出具有不同形态、结构耦元的仿生表面,进而改善材料的性能。基于激光表面纹理技术和仿生原理,本文提出了一种激光仿生纹理技术,其可能替代感应淬火技术以改善制动凸轮轴的抗磨损性能。在激光仿生纹理强化过程中,基体材料的微观组织发生转变,硬度提高,类似自然界耐磨生物原型体表独立分布的硬质强化相,与部件基体共同形成“软”-“硬”相间、“刚”-“柔”相济的仿生纹理表面。首先,通过形态仿生设计,研究不同形态耦元下试样的磨损情况,并且与传统的感应淬火试样进行比较,来验证最佳仿生纹理试样的优异性。其次,研究耦元特征量（分布间距和分布角度）对新型仿生耦合40Cr合金钢抗磨损性能的影响。再次,研究了分布角度对仿生40Cr合金钢拉伸性能的影响,并建立仿生纹理试样拉伸性能关于分布角度的关系方程。探讨了分布角度对仿生纹理强化效果的影响规律。最后,通过调整激光加工参数控制能量密度,对不同激光能量密度下仿生纹理横截面的宽度、深度和面积进行拟合,得到在一定参数范围内仿生纹理特征参量与激光能量密度之间的关系方程,进一步对其抗磨损性能进行试验研究并且探讨了其影响规律。取得的主要结论如下:1.阐明了形态耦元对仿生纹理试样抗磨损性能的影响。仿生纹理内部的组织由原来的珠光体+铁素体在高能激光的作用下,转变成马氏体。其显微硬度是未处理试样的三倍。与感应淬火试样相比,条纹形和网纹形仿生纹理试样的平均显微硬度值分别提高了 28.57%和33.93%。仿生纹理试样的优良性能取决于激光快速加热和冷却过程中的晶粒细化和相变强化。网纹形仿生纹理试样的磨损失重量最小,抗磨损性能的改善效果最好,与未处理试样相比,其抗磨损性能改善程度达73.83%;其次是条纹形仿生纹理试样,其抗磨损性能改善程度达70.22%;第三是感应淬火试样,其抗磨损性能改善程度达62.47%。与感应淬火试样相比,网纹形仿生纹理试样的抗磨损性能提高了 30.28%,其在磨损方向上形成明显“软”-“硬”相间的仿生模型,同时起到连续支撑作用,获得了最佳的抗磨损性能。2.阐述了耦元的分布间距对仿生纹理试样抗磨损性能的影响。建立了仿生纹理试样抗磨损性能与分布间距之间的关系方程:yWL=15.88571-5.01143d+1.64286d2;当分布间距在2 mm≤d≤4 mm范围内时,此时材料的抗磨损性能和激光仿生纹理的强化区域面积有关,其占主导优势,随着分布间距的减小,材料的抗磨损性能呈现增大的趋势;当分布间距在0 mm ≤ d ≤ 2 mm范围内时,“硬”质相和“软”质相间的不一致变形则起主导作用,随着分布间距的减小,材料的抗磨损性能呈现减小的趋势。因此,当分布间距d=2 mm时,仿生纹理强化40Cr合金钢的抗磨损性能最优。3.揭示了耦元的分布角度对仿生纹理试样抗磨损性能的作用机理。当仿生纹理与磨损方向相交排列时,能将其在表面所产生的应力分散到无限个切应力平面,从而使应力集中现象得到缓解,此外,相交的仿生纹理还能在磨损过程中为滚柱提供连续的支撑,消除滚柱和基体直接接触的可能性,显著地提高40Cr合金钢的使用寿命。4.阐明了激光仿生纹理技术能够同时提高40Cr合金钢的强度与塑性的规律。揭示了分布角度与40Cr合金钢拉伸性能的关系。相比于未处理试样,当仿生纹理平行于拉伸方向,即α为0°时,仿生纹理试样T1的屈服强度（YS）和抗拉强度（TS）分别提高了 24.77%和20.73%,其强化效果最好。然而随着分布角度的逐渐增大,仿生纹理试样的屈服强度（YS）和抗拉强度（TS）则呈现下降的趋势,但是延伸率不断提高。当仿生纹理垂直于拉伸方向,即α为90°时,T5试样的塑性变形抗力明显增加,延伸率（EL）达到最大值,与未处理试样相比增加了 48.98%。此外,通过回归分析,建立了仿生纹理试样拉伸性能关于分布角度的关系方程:关于仿生纹理试样的屈服强度和分布角度的线性关系:yYS=679.69672-0.69754α关于仿生纹理试样的抗拉强度和分布角度的线性关系:yTS=792.82787-0.7959α关于仿生纹理试样的延伸率和分布角度的定量关系:yEL=18.48187+0.07372α-0.000393444α2显著性检验表明,回归方程的置信度可达99%。5.探讨了不同能量密度对仿生纹理试样抗磨损性能的影响。能量密度是影响表面成形质量的主要因素。当能量密度为18.00-3 +3 J/mm2时,激光仿生纹理强化方法能够有效地获得更好的表面成形质量,其表面粗糙度的算术平均值为1046.81 nm。随着能量密度的增加,仿生纹理横截面的宽度、深度和面积增大;通过能量密度分别对横截面的宽度、深度和面积的影响规律进行拟合,并分别建立了数学模型。横截面的宽度随能量密度变化的线性方程表达式:ywidth=2.01854+0.0743x;横截面的深度随能量密度变化的线性方程表达式:ydepth=0.26422+0.02609x;横截面的面积随能量密度变化的线性方程表达式:yarea=-0.0974+0.1013x。与此同时,硬度逐渐增加,仿生纹理试样S1到S5的显微硬度平均值分别比基体的硬度提高了 194.55%、205.45%、220.45%、228.64%和239.09%。晶粒细化和马氏体相变的复合强化作用使仿生纹理试样具有良好的力学性能。而且随着能量密度的增大,试样的磨损失重量呈下降趋势。与未处理试样相比,S1至S5仿生纹理试样的磨损失重减少率分别下降了 64.71%、67.97%、71.90%、73.20%和73.86%。同时表明仿生纹理能够有效提升试样表面的抗磨损性能。此外,随着激光能量密度的不断增大,其抗磨损性能也随之增加。