为了改善铸铁材料的抗热疲劳性能,本文通过探索典型生物体的耦合抗疲劳、开裂机制,提出了面向机械零部件的仿生耦合抗热疲劳模型,采用激光表面处理技术在铸铁母体表层制备仿生耦合单元体,考察单元体形态与母材耦元对仿生耦合试样抗热疲劳性能的影响规律,探讨了相关过程的科学问题,同时试图通过改进单元体制备技术、优化相关参数,进一步提高仿生耦合试样的抗热疲劳性能。另外,试制了4种仿生耦合制动毂并开展了装车试验。研究发现,仿生耦合单元体不但具有优良的抗热疲劳裂纹萌生能力,而且能够有效抵抗裂纹扩展,仿生耦合试样的抗热疲劳性能高于未处理试样。同比条件下,具有网格形单元体的试样抗热疲劳性能最佳,单元体适度高密度分布使试样热疲劳抗力增强,当单元体与裂纹扩展方向垂直排布时阻滞裂纹的效果最显著。对不同含碳量、不同石墨形态的铸铁材料激光仿生耦合处理均可提高其抗热疲劳性能,当石墨呈片状时,热疲劳抗力提高比最大且随母材含碳量增加逐渐增大。通过优化激光加工参数显著增大了单元体横截面积,预热250°C能够避免单元体出现孔洞和加工裂纹,采用500°C中温退火消除了单元体表层92%残余拉应力。通过激光合金化、激光熔敷技术强化单元体有利于进一步提高仿生耦合试样的抗热疲劳性能。装车试验结果表明,仿生耦合制动毂的使用寿命比未处理制动毂至少提高一倍。