渗碳热处理表面强化工艺可将碳原子引入材料表面,使其获得高强度的表面和高韧性的芯部,从而能够大幅提升齿轮疲劳性能,增加服役寿命。本文借助DEFORM软件对渗碳热处理过程中的渗碳时间、渗碳温度、环境碳势等参数进行了研究,设计了有效硬化层分别为0mm、0.3mm、0.8mm的三种热处理工艺,并通过制备试样来验证仿真结果的准确性;之后对经热处理后的试样进行旋转弯曲疲劳试验,获得不同的有效硬化层试样的疲劳性能,并且对疲劳断裂后的试样进行断口分析,推测其断裂机理,此外对疲劳试验过程中试样的残余奥氏体、硬度、残余应力的演化进行测量。主要工作及收获如下:（1）使用DEFORM进行了热处理工艺仿真及工艺设计,分析了热处理仿真时需要用到的数学模型及有限元模型,并对渗碳热处理参数进行了研究,结果表明:渗碳温度对有效硬化层深度的影响最大,其次是渗碳时间,环境碳势对有效硬化层的影响最小。（2）试验中试样疲劳性能随着有效硬化层的加深而增加,有效硬化层为0.8mm试样的疲劳性能最佳,其疲劳极限为1108MPa,远高于基体材料的疲劳极限680MPa,疲劳性能最佳时对应的相对硬化深度为0.107。（3）渗碳热处理引入的梯度结构和残余压应力对材料的疲劳性能有着显著提升。渗碳热处理工艺还能够抑制疲劳源的萌生,改变材料的疲劳源类型。对于未渗碳试样,疲劳源主要为机加工产生的不连续刀痕,渗碳试样的疲劳源多为分布在有效硬化层以外的夹杂物。（4）对于主疲劳源为夹杂物的试样,裂纹萌生于夹杂物与基体材料交界的应力集中处,经过长时间的慢速扩展行为形成“鱼眼”形貌,当裂纹扩展至有效硬化层时,由于硬化层的强度高性能好,能够阻碍裂纹的扩展,此时裂纹开始朝着芯部快速扩展。当裂纹扩展的足够大时,硬化层不足以阻碍裂纹的扩展,裂纹在渗碳层中迅速扩展一周,发生瞬断,形成了位于疲劳源对面的瞬断区形貌。（5）渗碳热处理后试样表面存在的奥氏体会在疲劳试验过程中逐渐被消耗。残余应力在疲劳试验过程中的演化是奥氏体相变与松弛效应的竞争结果,当奥氏体相变占主导地位时,残余压应力增加,反之残余压应力减小。