20CrMnTi钢作为一种典型的低淬透性钢,因其韧性好,可焊性能优良,以及淬火后切削能力好等优良性能,被广泛地应用于汽车的传动部件。零件的失效形式是在交变应力的循环作用下在应力集中的地方萌生裂纹并扩展,扩展到一定程度后剥落。20CrMnTi钢虽然满足韧性要求,但是材料强度较低而且耐磨性较差。为了提高其抗磨性,工厂上常常通过渗碳热处理,增加其含碳量来满足其强度需要。但是通过渗碳热处理一方面能源消耗大和渗碳周期长,另一方面容易形成坚硬的外壳和较软的芯部,而且在软硬交界处容易产生疲劳裂纹。因此,需要寻求一种新的加工方式,来代替传统的渗碳热处理工艺。本文采用20CrMnTi钢材料,结合仿生耦合理论,利用激光加工技术在基体材料表面制备出高硬度的仿生单元体,高硬度的单元体和低硬度的基体材料形成一种类似于生物体表的软硬相间的耦合仿生结构,能有效提升基体材料表面抗滚动疲劳磨损性能。但是20CrMnTi钢含碳量低,通过激光淬火不能获得过饱和的马氏体组织,进而提升其硬度,所以激光淬火工艺限制了低碳钢的疲劳磨损性能的提升。因此,本文采用了激光熔凝,激光渗碳、激光熔覆的方法制备了五种不同硬度的材料耦元仿生单元体,以提高材料的抗滚动疲劳性能。通过滚动疲劳磨损实验选取最佳的仿生单元体,有限元软件对其应力场进行模拟分析。对选取的单元体进行形态仿生设计,分析在不同形态下的磨损情况,选取出最佳的仿生形态。用仿生强化方式替代传统的渗碳热处理工艺。实验结果表明:通过激光表面强化技术后,低淬透性钢的抗滚动疲劳性能有不同程度的改进。总体上表现单元体加工越硬,应力模拟分析表明单元体将大部分的应力分散到亚层,保护基体,耐磨性越好,但是还需要考虑单元体的熔覆颗粒的结合分解情况,选取最佳的Msic单元体(激光熔覆30%铁粉和70%的碳化硅的混合粉末)进行不同形态耦元设计,分析出不同单元体间距对耐磨性的影响。研究发现,具有Msic单元的仿生试样抗磨损性能最佳,并且横向间距为5mm,纵向间距4mm的网状单元体形态分布的仿生耦合试样的抗滚动疲劳性能最强。在相同情况下,具有Msic单元体的仿生试样的失重量是原始基体试样的10.2%,是经过渗碳热处理试样57.3%。对于传统的渗碳热处理试样,形成坚硬的外壳和较软的芯部,软硬交界是直线型交变层,在应力状态下无法形变,容易产生疲劳裂纹。而仿生单元体的存在,可以获得一定弯曲延伸的应力变形疲劳层,能够降低和分散应力,保护基体结构,从而可以大幅度提升其耐磨性,并从根本减少裂纹的萌生,以提高转向轴球节的使用寿命,具有重要的实际意义。