随着我国铁路系统的不断提速，列车天线支架在剧烈变速时承受的应力应变相应提高，服役环境较提速前更为严苛，这对天线支架的强韧性能提出了更高的要求。目前，天线支架的使用材料和零件结构一般沿用2007年第6次提速前的设计标准。其材料一般为铁素体/珠光体型低碳钢，这类材料因良好的低温塑性、焊接性能等优点而在工程领域广泛使用，但其较低的强韧性能已无法满足列车提速后的运行需求。另一方面，如果对天线支架进行材料更换或重新进行结构设计，不仅涉及到一系列生产工艺、零件尺寸和安装位置的变动，而且对现有天线支架进行报废处理也必然造成巨大的资源浪费和经济损失。因此如何在不替换现用材料、不改变零部件结构的同时，以低能耗、低成本提高低碳钢的强韧性能已成为制约我国轨道交通事业发展的一个难题，也是工业工程领域目前普遍面临的关键性问题。科学发展的历史表明，科学技术的突破性进展往往从天然有机体对自然界的适应性规律中寻求答案。同样，低碳钢强韧化技术的研究在天然生物材料优异的强度、韧性的组合中得到了启示。本文依据仿生耦合理论，从工程仿生学实用角度出发，将树叶、昆虫翅鞘等具有良好强韧性能的生物体作为原型，设计了仿生耦合强韧化模型，并以高速动车天线支架用钢S355钢为试验材料，采用激光处理技术实现了仿生耦合试样的制备，为强韧化技术的研究开拓了新思路，并通过拉伸性能的变化系统研究了形态、材料耦元对仿生耦合强韧化效果的影响规律和作用机理。研究发现，采用激光熔凝技术对S355钢进行仿生耦合处理能够同时提高材料的强度与塑性。仿生耦合处理后，具有一定形态规律的激光处理区形成了仿生单元体，其显微组织较母材得到明显细化、位错密度提高了一个数量级。单元体熔凝区的显微组织为细化的板条马氏体，板条宽度介于300nm～600nm之间，平均显微硬度较母材提高了125%；热影响区由马氏体和未熔铁素体组成，平均硬度提高46%。仿生耦合处理的强化作用主要来源于单元体中的上述显微组织变化和拉伸过程中拉应力由基体向单元体的传递。由于单元体和基体之间的应力传递，在相同载荷下仿生试样基体中承受的拉应力要低于未处理试样，只有进一步提高外加载荷才能使其达到相应的临界应力，因而使仿生试样获得了更高的强度。仿生耦合处理的韧化作用在于单元体对切应力集中的阻碍，在拉伸过程中能够抑制颈缩处的形变收缩，使切应力分布更均匀，延长试样的均匀形变过程，从而提高了仿生试样的塑性形变能力，使其获得了更高的延伸率。形态耦元对仿生试样拉伸性能具有重要影响。同比之下，网格状仿生试样强韧化效果最好，屈服强度和抗拉强度较未处理试样分别提高14.4%和13.1%，且延伸率同时提高11.1%。降低单元体间距能够使网格状仿生试样的强韧化效果进一步提高，在本文考察范围内横向间距3mm、纵向间距5mm时仿生试样拉伸性能最佳：其对应仿生试样屈服强度、抗拉强度、延伸率分别较未处理试样提高了16.3%、15.4%和19.8%。在此基础上进一步降低单元体间距尽管能够提高试样的强度，但会导致仿生试样的塑性急剧下降。此外，条纹状单元体由于具有较强的方向性，当它沿不同方向排列分布时，仿生试样的拉伸性能差异显著：单元体沿拉伸方向排列，试样强化效果最好；随着单元体角度的提高，仿生试样的强度提高幅度降低，但延伸率提高幅度逐渐增加；当单元体完全垂直于拉伸方向时，仿生试样韧化效果最好，获得了最大的延伸率提高百分比。母体材料的马氏体含量、合金元素含量以及试样厚度均严重影响仿生耦合处理的强韧化效果，进而决定仿生试样拉伸性能提高百分比。随着马氏体含量的提高，单元体和基体之间应力传递作用减弱，造成仿生试样强度提高百分比的逐渐降低。然而母材马氏体含量越高，仿生耦合处理后韧化效果越明显，延伸率提高百分比持续增加，直至马氏体含量达到90%时，才略有下降。S355钢、45#钢、H13钢三种母材仿生耦合处理后强度和塑性均同时提高，且母材中碳元素和合金元素含量越高，单元体的硬度和强度也就越高，仿生试样的强化效果越好；然而45#钢和H13钢受热影响区未熔珠光体和粗大碳化物颗粒的影响，韧化效果较S355钢则有所下降，延伸率提高百分比相应降低。而对不同厚度的仿生试样拉伸性能的研究表明，对S355钢而言，母材厚度在3.0mm内时，利用单元体轮廓数学模型和双相结构体积分数法则计算的仿生试样屈服强度与实际测量平均值相差在10MPa以内。当母材厚度改变但其他参数不变时，可近似使用17.6%作为单元体体积百分比的临界值，在此范围内进行仿生耦合处理可获得较好的强韧化效果。通过激光熔丝技术制备组织和材料均不同于低碳钢母材的合金化单元体，有利于突破激光熔凝仿生试样的强度极限，进一步提高仿生耦合处理的强化效果；但激光熔丝仿生试样的延伸率相对于未处理试样均有所降低，这是因为合金化单元体的界面尽管具有较高的硬度和强度，但形变能力却难以满足要求，甚至出现了塑性较差的柱状晶组织，拉伸过程中界面易发生局部脱粘，影响了仿生耦合处理的韧化效果。为提高激光熔丝仿生试样的塑性，尝试了激光熔丝技术结合脉冲电流处理，不仅使试样获得了高于激光熔凝处理的强化效果，而且脉冲电流能够改善合金化单元体的界面组织和硬度分布，具有较好的韧化效果。在脉冲电流作用时间220ms时，激光熔丝仿生试样屈服强度和抗拉强度相对于未处理试样分别提高28.2%和25.9%，且延伸率同时提高6.9%。本文依据仿生耦合原理，利用激光技术制备的仿生耦合强韧化模型能够同时提高低碳钢材料的强度与塑性，为强韧化技术研究开拓了新思路，具有重要的科学意义和实用价值。同时，仿生耦合强韧化技术只是针对零部件表面进行局部处理而保持心部不变，不需改变零部件的使用材料和结构设计，因此具有广阔的应用前景，显著的经济价值和社会效益。