齿轮是各种现代机械中最常见的一种传动零件，齿轮传动是传递机器动力和运动的主要形式之一，大部分机械设备的主要传动部件都会采用齿轮传动。齿轮传动具有瞬时传动比恒定、传动比变化范围大、传动速度和传递功率范围大、承载能力高、传动效率高、结构紧凑、维护简便、使用寿命长等诸多优点。齿轮工作时运动速度高，受力情况非常复杂，产生的损伤形式多样，目前对齿轮零件的要求是芯部具有较高的强度和耐冲击韧性，齿面具有较高的硬度和较好的接触性能。普通的表面处理方式已难以满足其高速重载的性能要求，利用强流脉冲电子束技术进行齿轮表面的改性，具有高效清洁、能量密度和加工效率高等特点，可直接、有效地改善材料的表层组织性能。本研究受国家自然科学基金面上项目资助（齿轮表面非晶化工艺与性能研究，编号：50775229），以齿轮材料和齿轮为对象，通过理论分析、数值仿真和试验技术，研究齿轮材料和齿轮表面电子束改性工艺及物理性能，为齿轮表面电子束改性工艺的研究提供理论支撑。　　论文的主要工作有：　　（1）分析了电子束加工原理，讨论了电子束材料表面改性的机理，分析了大面积电子束材料表面改性技术在国内外的研究进展情况和发展趋势。　　（2）在理论分析电子束加工热力学方程的基础上，以齿轮材料40Cr为对象，对电子束加工进行数值仿真和试验研究，解析了电子束加工下材料的温度分布、熔化深度和应力状况以及热力学影响情况。　　（3）利用强流脉冲电子束技术对40Cr材料表面进行改性试验，获得材料表面状况随电子束参数的变化规律，研究了电子束加工条件下材料表面原始形貌对改性后材料表面形貌的影响，分析了电子束改性工艺对齿轮材料表面状况的作用机理和规律。　　（4）对不同参数电子束工艺下齿轮材料进行X射线衍射(XRD)分析对比，研究并获得参数变化对40Cr改性表面组织的影响规律，对电子束处理工艺下轮齿的表面力学性能、耐腐蚀性能进行了分析，利用试验技术研究了电子束改性后齿轮材料的摩擦磨损性能，并对电子束改性处理工艺后材料表面组织性能的变化对磨损性能的影响进行了分析讨论。　　（5）分析了齿轮弯曲疲劳试验方法和弯曲疲劳寿命数据处理方法，从理论计算、数值解析和弯曲疲劳加载试验三方面研究了轮齿的齿根应力。对不同工艺条件下齿面进行强流脉冲电子束改性处理，试验研究了其弯曲疲劳性能，并对改性处理前后的齿面硬度、表面粗糙度、轮齿表面形貌、组织及表面应力进行了对比，分析了在不同工艺条件下电子束处理齿轮弯曲疲劳性能的影响。　　通过以上研究表明，金属材料经过电子束改性处理后，表面会产生大量熔坑，材料表面发生重熔现象，材料的熔化深度范围在2-3μm，齿轮材料经电子束改性后材料表面产生残余拉应力。电子束材料改性后产生的熔坑对材料表面的粗糙度影响较大，电子束参数不同，材料表面的粗糙度有可能升高或者降低，材料原始粗糙度对电子束改性后的表面粗糙度的影响较大，电子束处理对材料表面形貌具有消除划痕和产生熔坑两方面的影响，对材料表面粗糙度的影响是上述两个过程综合作用的结果。经过电子束改性后，40Cr材料的表层组织会发生变化，经过不同电子束参数改性，获得的组织、相和分布也不相同。经过多次电子束改性后，材料表面耐腐蚀性能增强，40Cr经过电子束改性后，材料表面硬度可在表层1mm内发生变化，随着电子束材料改性次数的增加，材料表层温度影响层深度增大，显微硬度增加，截面显微硬度值呈振荡形式分布。在恒幅载荷下，未磨削齿面齿轮经电子束改性后在可靠度50％时弯曲疲劳强度降低了14%，而齿轮齿面经过磨削加工后再利用电子束改性，轮齿弯曲疲劳强度提高6.1%。磨削工艺对齿轮的弯曲疲劳强度影响较大，经磨削工艺，原始齿轮和电子束改性齿轮轮齿的弯曲强度分别增加了52.2%和88.2%。磨削和未磨削齿轮经电子束处理后，齿面粗糙度均有一定程度的提高，磨削齿轮齿根表面大量细小划痕因电子束的―抛光‖效应而消失，材料表层晶粒得到了细化，综合来看表面状况得到一定改善。　　论文的创新性体现在以下方面。　　（1）提出利用强流脉冲电子束工艺对齿轮进行表面改性，并设计出专用装置实现齿轮表面电子束改性工艺。　　（2）解析了强流脉冲电子束工艺对材料表面粗糙度变化的影响机理。提出电子束改性对材料表面形貌具有产生熔坑和消除划痕两方面的影响，电子束改性材料表面粗糙度的变化是以上两个过程综合作用的结果。　　（3）对不同工艺齿面下的齿轮进行强流脉冲电子束改性处理，并进行弯曲疲劳性能试验。系统研究了齿轮经电子束改性前后的齿面硬度、表面粗糙度、齿根表面形貌、组织和表面应力变化情况对齿轮弯曲疲劳性能的影响。