以滚动机床导轨和火车导轨为代表的合金钢材料滚动部件,在服役过程中表面由于受到滚动接触条件下高频次、高应力的反复碾压,从而出现了材料表面局部应力集中,最终发展为点蚀破坏,称之为滚动接触疲劳磨损。合金钢滚动部件的磨损失效过程,是一个多种破坏形式共同作用的复杂问题,仅通过单一因素的改变难以解决多因素共同作用的破坏。生物界中的生物通过自身不断的进化逐步让其自身繁衍出了最适合生存的体态形貌。通过对生物优异性能结构的研究发现,生物功能的优化取决于多因素的耦合。本文利用生物耦合机制构建仿生耦合抗磨损模型,利用多种表征实验手段,分别讨论形态、结构和材料三种耦元及其特征量对于合金钢材料抗滚动接触疲劳磨损性能的影响。(1)利用激光熔凝技术在火车轨道合金钢表面制备的仿生单元体晶粒细化程度高,位错密度更大,显微硬度值明显提升。(2)激光熔凝仿生单元体以点状、条纹状和网状的形状加工分布在试样表面,能延缓疲劳裂纹的萌生。(3)以一定的间距分布在材料表面的单元体在加工时会受到相邻单元体加工过程的影响。(4)仿生单元体以不同的角度分布在材料表面,其映射到接触线区域上的有效长度支撑率越大,单元体对于滚轴压力的支撑作用越明显,从而表面抗疲劳磨损性能越佳。(5)不同截面深度尺寸的仿生单元体,存在不同的最大切应力的位置。当两种不同深度尺寸的单元体采取深浅交错的分布方式加工于试样表面时,随着两种单元体深度尺寸差的递增,应力集中分散化程度也更高。而单元体深度尺寸差过大,会导致两端单元体所起分担作用不平衡分布,使一端单元体区域易出现应力集中现象,导致疲劳磨损。(6)采用激光熔凝技术对于滚动机床导轨钢和火车轨道合金钢两种基材进行表面强化,二者的显微硬度得到明显提升,耐滚动接触疲劳磨损性能也显著增强。(7)采用激光加工方法在前期经过涂炭处理的材料表面得到激光渗碳仿生单元体。涂炭处理使得到的单元体相比于单纯的熔凝单元体,显微硬度更高。(8)仿生单元体的出现能使试样的屈服强度和抗拉强度都得到了提升,经由这种方法处理的试样,裂纹萌生的时间被大幅延后,试样寿命被有效延长,抗疲劳磨损性能提升。(9)仿生耦合抗磨损表面模型以及抗磨损机理被提出,“硬质”单元体和“软质”基体构建的“软硬相间”的抗磨损表面能使滚动接触条件下大部分应力由硬度更大的单元体承担,从而减小基体承受的应力值,最终改善材料表面整体的抗疲劳磨损性能。