齿轮作为发动机系统中必不可少的传递动力的重要机械部件,在服役过程中承受着弯曲、扭转和接触等周期性的变化应力作用,疲劳断裂为其主要失效形式。为了保证齿轮心部在保持足够强度和韧性的条件下,表层具有很高的硬度和耐磨性,齿轮往往需要进行渗碳等表面强化处理。随着齿轮传动向着高速、重载、低噪声和轻量化的方向发展,对齿轮钢提出了越来越高的长寿命化要求。对此,本文以四炉不同冶金质量的重载传动系统用20Cr2Ni4A齿轮钢为研究对象,采用真空渗碳、电化学充氢、旋转弯曲疲劳试验机、扫描电镜及透射电镜等实验设备和技术,系统地研究了真空渗碳处理及钢材冶金质量对其高周疲劳断裂行为的影响规律,获得了一种综合考虑非金属夹杂物和渗碳层参数的渗碳齿轮钢疲劳强度的预测模型,提出了利用氢脆现象来高效地评估高洁净度齿轮钢中粗大夹杂物的一种新型的方法—氢脆拉伸法。主要得到如下结论:对实验钢真空渗碳热处理前后的高周疲劳性能的研究结果表明,在疲劳裂纹萌生源位于渗碳层的前提下,真空渗碳处理能够显著地提升其疲劳性能,疲劳强度由未渗碳时的664 MPa提升至渗碳后的915 MPa,提升幅度约为38%,且控制宏观裂纹扩展的临界应力场强度因子幅同样得到显著提高。此外,疲劳断口分析发现渗碳处理还显著地促进了高周疲劳条件(～10~6周次以上)下疲劳源处夹杂物周围粗糙粒状亮区(Granular Bright Facet,GBF)的形成。真空渗碳处理的这些良好作用主要是由于渗碳层高的硬度及渗碳后引入的较高残余压应力对疲劳裂纹萌生和扩展具有一定的抑制作用,使得渗碳处理后高周疲劳断裂的机制由试样表面诱导疲劳断裂为主的模式转变至内部非金属夹杂物诱导疲劳断裂为主的模式。不同渗碳层厚度对实验钢高周疲劳性能影响的研究结果表明,疲劳强度随着有效渗碳层厚度的增加呈现先增加后减小的变化特征,在有效渗碳层厚度约为0.86mm时获得最优的疲劳强度919 MPa。结合文献数据,提出采用无量纲的相对渗碳层厚度(有效渗碳层厚度与试样截面尺寸的比值)来表征渗碳层厚度对渗碳钢疲劳强度的影响规律。进一步分析表明,这种变化特征主要是由于改变渗碳厚度所不可避免引起的渗碳层残余应力和晶粒尺寸等因素的变化引起的。因此,需综合考虑相对渗层厚度及其它渗层参数变化等因素来优化真空渗碳齿轮钢的疲劳性能。针对四组具有不同冶金质量齿轮钢的高周疲劳破坏行为的研究表明,随着钢材冶金质量提升,渗碳齿轮钢的疲劳性能得到大幅度提高;钢中氧含量高低并不能完全衡量其疲劳性能的优劣,非金属夹杂物的类型和尺寸决定了渗碳齿轮钢高周疲劳断裂的失效机制。对此,基于渗碳齿轮钢非金属夹杂物诱导疲劳断裂失效机制,对Tanaka-Akiniwa预测模型中的参数进行了优化,提出了一种综合考虑非金属夹杂物和渗碳层参数影响的适用于渗碳齿轮钢的疲劳强度预测模型,模型预测的疲劳强度与实验值和有关文献数据吻合程度较好,误差在10%之内。高洁净度钢材中对疲劳性能危害极大的大尺寸非金属夹杂物出现的概率低,因此选用合适的夹杂物检测方法就尤为重要。对此,探讨了一种新型的高洁净度钢材中夹杂物评估方法—氢脆拉伸法,即将淬火+低温回火态20Cr2Ni4A钢拉伸试样经过适当的电化学充氢,其常规拉伸断口由于氢脆现象存在有以粗大非金属夹杂物为中心的脆性平台,从而可方便快捷地在扫描电子显微镜下对夹杂物的类型、尺寸和分布等进行检测,随后利用极值统计法对钢中夹杂物的最大尺寸进行评估,据此进行高周疲劳强度预测。结果表明,氢脆拉伸法得到的结果与疲劳结果相吻合,因此,该方法有望成为预测高洁净度高强度钢中最大夹杂物尺寸及其疲劳强度的一种有效方法。