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抗疲劳制造技术的核心是构筑表面变质层。对表面变质层机械性能的表征测量，是抗疲劳制造技术的基础。传统压痕仪器设备基于均质材料接触理论，不再适合于本质为梯度结构的表面变质层机械性能的表征测量。本文以几种压头与梯度结构的接触模型为基础，建立表面变质层的机械性能表征理论与试验方法，对渗碳热处理后 18CrNiMo7-6 产生的表面变质层弹性模量和硬度进行试验研究，主要工作如下： （1）利用非均质材料接触理论对不同压头（球形压头、圆锥形压头、平端压头）和表面变质层的接触问题进行分析，建立利用不同压头的表面变质层弹性模量的梯度压痕表征理论和方法，并利用有限元方法对分析结果进行验证。 （2）根据本文提出的表面变质层机械性能的球形压头测试方法，对渗碳热处理后的18CrNiMo7-6 合金钢试样进行压痕试验，测试基体和表面变质层的弹性模量；利用维氏压头对试样进行正面剥层以及侧面不同载荷的压痕试验，验证本文提出的球形压头测量弹性模量方法的正确性。研究结果表明18CrNiMo7-6合金钢采用的渗碳热处理工艺不改变其弹性模量。 （3）通过维氏压头对18CrNiMo7-6合金钢试样正面和侧面的压痕试验，建立表面变质层的硬度变化经验公式，给出确定表面变质层厚度的方法。