40CrNiMo钢因其具有高强度、高韧性和良好的淬透性,被广泛地应用在轴类、齿轮、紧固件等零件上。国产轴类、齿轮存在疲劳寿命短、可靠性差等问题,因此通过表面处理工艺来提高工件的疲劳寿命,对于我国高端装备升级换代具有重大意义。单一的处理手段已经满足不了高端装备的服役要求,因此运用多种改性手段对工件表面进行处理使之达到更好的性能具有重要意义。本文通过磨料水射流喷丸(Abrasive water jet shot peening AWJP)、超声表面滚压(Ultrasonic surface rolling extrusion USRE)、等离子表面氮化(Plasma nitriding treating N)三种表面改性工艺,并再此基础上提出AWJP+USRE和AWJP+USRE+N两种表面工艺。探究40CrNiMo钢表面完整性和拉压疲劳性能的影响规律,并且研究了AWJP+USRE后回火处理对40CrNiMo疲劳性能的影响。利用透射电镜、扫描电镜、激光共聚焦显微镜等仪器分析表面形貌和微观组织,通过分析表面形貌、微观组织结构、残余应力、硬度对40CrNiMo高周疲劳性能的影响,得到以下主要结论:(1)进行磨料水射流喷丸试验,探究磨料水射流喷丸对调质处理的40CrNiMo表面完整性的影响,对于调质处理的40CrNiMo,水压越大试样表面受到的冲蚀动能越大,使材料表面粗糙度增加且发生脆性去除。对于超声表面滚压,随着滚压次数的增加,试样的表面会出现剥落,且粗糙度随着滚压次数的增加呈现先变大后变小的趋势。(2)通过复合表面改性工艺,能够得到性能良好的梯度结构,在距离表面40μm处,晶粒尺寸为70nm,形变层达到320μm,且表面的粗糙度达到0.06μm,表面残余应力达到-846MPa。复合表面改性相对于抛光基体试样疲劳极限从510MPa提高到595.7 MPa提高了85.7MPa。疲劳性能的提高主要得益于表面粗糙度的降低、表层硬度的提高、组织梯度和残余应力梯度的形成。(3)复合表面改性后试样在450℃退火处理3小时,试样表面的残余应力从-846 MPa变化到-430MPa,但残余应力的深度未发生变化。试样的疲劳极限从599MPa下降到544MPa下降55MPa,说明残余应力仍是影响试样疲劳性能的重要因素。(4)复合表面改性后等离子氮化的实验参数为渗氮温度500℃、保温时间20h。分析实验结果得到渗氮层的厚度为420μm,较未复合表面改性试样的渗氮层增加80μm。表面的残余应力达到-954MPa,试样经过复合表面改性后等离子氮化疲劳极限达到626MPa,较复合表面改性试样疲劳极限595.7MPa提高30.3MPa,较未改性抛光试样疲劳极限510MPa提高了116MPa。复合表面改性后等离子氮化试样疲劳极限的提高归功于复合表面改性后等离子氮化所产生残余应力和硬度梯度的提高。