本文以H13热作模具钢的热疲劳性能为研究对象。基于对自然界生物耦合现象的研究，根据仿生学原理，对H13钢的表面提出了仿生耦合构想，通过对模具钢的仿生耦合改性处理，从而提高其热疲劳性能，延长热作模具的使用寿命。影响仿生耦合试样热疲劳性能的因素有很多，包括仿生耦合单元体的大小、分布间距等，但并未涉及单元体截面形态和形状耦元对仿生耦合试样热疲劳性能的影响。基于此，本文进一步研究仿生耦合单元体截面形态（扁长型、U型、V型）对H13钢热疲劳性能的影响，目的在于找出最优的一种单元体截面形态能够更有效地提高热作模具H13钢的热疲劳性能，并总结出单元体截面形态对热疲劳性能影响的机理。单元体形状耦元分为点状、条纹状、网格状。在热疲劳温度分别为600℃、650℃、700℃、750℃时，对三种形状耦元试样与未处理试样进行热疲劳试验，探究热疲劳温度和形状耦元对试样热疲劳性能的影响，进而研究抗热疲劳机理。在热疲劳温度不同的情况下，探究仿生耦合单元体和母材的微观组织和显微硬度随热疲劳温度的变化规律及原因。研究结果表明，仿生耦合试样在热疲劳试验中展示了优异的热疲劳性能，较未处理试样具有更好的综合性能。在三种不同截面形态的单元体中，U型单元体能更好的抑制热疲劳裂纹的萌生和扩展，具有最好的热疲劳性能，V型单元体次之，扁长型单元体最差，这主要是因为U型单元体和V型单元体的深度大于扁长型单元体，而U型单元体在深度方向上的宽度又大于V型单元体。仿生耦合试样和未处理试样的裂纹数量和长度随热疲劳温度的升高而增大，试样的热疲劳性能随热疲劳温度的升高而下降。热疲劳试验后，网格状单元体试样的裂纹数量最少，长度最短，其热疲劳性能最好，条纹状单元体试样次之，点状单元体试样在三种仿生耦合试样中最差。仿生耦合单元体和母材的热稳定性随着热疲劳温度的升高而降低，仿生耦合单元体和母材的显微硬度随热疲劳循环次增加而下降，随热疲劳温度的上升而下降，热疲劳抗力也随之减小，随着热疲劳温度的升高，仿生耦合单元体的晶粒变大，母材中的马氏体分解。仿生耦合单元体不仅能够抑制裂纹的萌生，而且可以有效地抑制裂纹的扩展。这是由于仿生耦合单元体自身的个体强化效应，单元体通过应力抵消机制与双相混合强韧化机制有效地抑制了裂纹的萌生，热疲劳裂纹在仿生耦合单元体前受阻、钝化、分叉、偏转、甚至终止，降低了裂纹的扩展速率，有效地提高了仿生耦合试样的抗裂纹扩展能力。