渗碳作为一种传统工艺,用来提高零件的疲劳性能,成为许多钢零件(如齿轮等)设计、生产中的重要步骤。然而,如何表征渗碳层钢及其过渡区材料的力学行为,量化不同渗碳零件的疲劳性能等问题一直未得到解决。本文通过对不同形状尺寸的齿轮钢材料试件进行渗碳处理,获得完全渗碳、表层渗碳和无渗碳(母材)三类不同渗碳状态的试件。进行力学拉伸试验,得到不同材料的应力应变曲线,确定其杨氏模量、屈服应力和断裂应力。通过纳米压痕试验测定试件微区硬度和杨氏模量分布,确定渗碳钢内碳含量对试件硬度的影响。用聚焦离子束系统切槽法测量渗碳试件残余应力。对试件进行疲劳试验,构造三类试件的应力寿命曲线。试验表明渗碳处理不会改变杨氏模量,但会显著增加材料硬度和屈服强度,并明显降低其断裂应变,渗碳钢的疲劳性能略低于母材。然而,表面渗碳试件的疲劳寿命则明显高于母材,尤其是渗碳拉伸试件的疲劳极限从母材的300MPa提高到550MPa。试验和计算分析表明渗碳试件疲劳性能的改善主要来源于渗碳层残余压应力,以及渗碳钢本身,其疲劳极限的改变可直接通过残余应力修正计算预测。随着载荷的提高,渗碳残余应力的影响减小,试件疲劳性能改善降低。在低周疲劳渗碳试件的疲劳性能可能比母材差。