课题来源于国家自然科学基金重点项目“新型高性能传动件及系统的可靠性设计理论与方法”以及民用航天预研项目。材料的接触疲劳是机械传动零部件,如轴承、齿轮、减速器等的主要失效形式之一。目前已有大量与材料接触疲劳及寿命相关的的研究工作,但是大都建立在发生接触的两个接触体材料为均质材料的假设条件之上。杂质大量存在于工程材料中,并且在机械传动零部件以及材料疲劳寿命中起着决定作用。本文将从材料微观结构入手,利用微观力学相关理论分析材料微观结构对材料弹性场的影响,并对材料和机械传动零部件的接触疲劳寿命进行理论及实验研究。本文的研究成果对于理解材料微观结构,包括材料杂质、缺陷、多相结构等对材料接触性能的影响,避免杂质带来的不利影响,有效指导机械传动零部件及系统的可靠性评估与寿命预测具有重要科学意义和工程实用价值。　　论文的主要内容如下:　　①基于等效夹杂方法,推导并验证处理无限大平面中椭圆形和任意形状杂质问题的矩阵形式显式解。提出一种简单迭代方法用于实现等效夹杂方法,即确定等效夹杂中的特征应变,并讨论该迭代方法的性能。分析基于简单迭代法的等效夹杂方法的适用范围、收敛性能以及计算应力集中系数的能力。　　②提出一种高效近似算法,该方法以半空间中椭球形夹杂内部特征应变均匀分布作为基本假设,用于处理半空间分布椭球杂质的Hertz接触问题。提出等效影响半径的概念,结合稳定双共轭梯度法,用于提升该算法效率。利用高效近似算法,对分布杂质在材料弹性场中的影响进行参数化研究。　　③以长方体杂质作为基本单元,给出三维非均质材料粗糙面接触问题的精确完全算法,并通过与有限元结果的比较验证算法的有效性。对长方体单杂质、双杂质以及多杂质模型进行分析,以确定杂质对材料接触性能的影响。利用工程材料实际表面信息,结合多杂质模型,分析含多杂质的粗糙面接触时,材料的接触性能表现。　　④利用Ti-6Al-4V/(TiC+TiB)复合材料和球-棒疲劳实验机模拟滚动轴承,进行滚动接触疲劳寿命实验,揭示材料中杂质/增强体对材料及机械传动零部件滚动接触疲劳寿命的影响。采用统计方法和FIB/SEM双束系统对材料微观结构进行三维重构,分别验证高效近似算法和精确完全算法预测机械传动零部件接触疲劳寿命的能力。