本文采用ANSYS有限元软件，对激光强韧化处理高碳钢的接触应力、应变场进行了数值模拟分析，并对激光强化区滚动疲劳裂纹的扩展特性进行了研究。通过建立Hertz接触有限元模型，分析了接触面摩擦系数与高碳钢接触表面应力、最大剪应力以及塑性应变的关系，结果表明：Hertz接触斑前后存在明显拉压应力区；摩擦系数变化对横向、法向应力影响较小，对纵向应力影响显著；当摩擦系数超过0.2时，最大剪应力位置从Hertz接触斑下3mm转移到接触斑表面；当摩擦系数为0.2~0.4时，高碳钢基体发生塑性应变；摩擦系数达到0.5时，激光强化区内部开始产生塑性应变。分析了Hertz接触位置与Von Mises等效应力、塑性应变的关系，结果显示：当Hertz接触位置距离强化斑中心3mm时，在激光强化区出现最大等效应力，基体区出现最大塑性应变。对比高碳钢激光强化前后的数值模拟结果发现，在激光强化区与基体区边界内外各0.5mm区域，其应力、应变存在明显的波动特性；激光强化处理后的高碳钢，其塑性应变降低，而VonMises等效应力增加。采用奇异单元建立了三维裂纹尖端有限元模型，计算结果表明：激光强化后，强化斑下方基体中裂纹尖端的应力强度因子KI值减小。接触中心最大压强达到1800MPa，强化区下基体的裂纹深度为1.8mm时，裂纹尖端的KI值最大，达到34.6MPa·m1/2，仍然低于-40℃下基体材料的KIC值(38.6MPa·m1/2)。对两组采用不同处理工艺的模拟轮轨试样进行了滚动接触疲劳试验。试验发现，激光强韧化技术可以显著提高钢轨耐磨性能。