飞轮是内燃机中结构形状相对简单但有重要作用的零件之一，作为摩擦离合器的主动件，靠与从动盘之间的摩擦传递动力。因此，易于产生磨损失效。本文以CA6DF2L-30型柴油机飞轮为研究对象，从飞轮的使用环境出发，实验分析了材质为球墨铸铁飞轮的常见失效形式，揭示了导致飞轮失效的主要机理—疲劳磨损失效，分别采用了化学成分分析、硬度检测、金相显微镜和扫描电镜的方法，研究了飞轮磨损失效的机理和主要磨损类型，并就其主要影响因素进行了分析。其次，为提高飞轮耐磨性能，针对其材质的特点，利用机械合金化方法制备了两种新型铁基非晶合金粉末。将该粉末作为主要添加成分，并采用氩弧焊堆焊的方法对飞轮工作面进行了表面强化处理，制各出铁基非晶合金基体上弥散分布着微／纳米晶颗粒的耐磨复合涂层，从而延长其使用寿命。堆焊试验中，重点考察了硼、铬、碳、硅等合金元素在熔覆层中的强化作用，通过焊后合适的热处理工艺可以得到微／纳米硬质颗粒相弥散分布的复合结构。此种结构能有效增加材料的耐磨性能，有利于飞轮干摩擦状况的改善。为了改善焊接工艺性和覆层材料的耐磨性，本文还研究了不同含量碳化物粉末添加剂的合金成分、不同焊接工艺及热处理条件等对覆层微观组织结构和力学性能的影响，并优化出最佳的制备工艺条件。此外，还通过试验考察验证了堆焊合金的优良力学性能和热疲劳性能，探讨了该堆焊覆层的耐磨机理。基于有限元分析技术和疲劳损伤理论，利用ANSYS有限元分析软件对飞轮基本工况(空转和接触摩擦)进行了动态模拟，得出了包括接触应力在内的各种应力和应变，分析了应力应变与磨损疲劳的关系，模拟分析结果与实验分析结论一致。针对飞轮表面失效机理，本文还采用有限元技术对其表面进行了仿生结构优化设计的尝试。上述研究为飞轮的结构优化、使用维护、疲劳寿命分析等提供了理论依据。最后，基于飞轮磨损失效及控制的试验与理论研究，提出了防止飞轮发生过早磨损失效的有效措施和合理化建议。