本发明公开了一种提高机车轮轴钢旋转弯曲疲劳性能的方法，属于金属材料表面纳米化技术领域。该方法采用表面机械碾压处理技术对机车轮轴LZ50钢进行表面纳米化处理，处理过程在数控表面纳米化处理系统上进行。经过表面纳米化处理后，LZ50钢表层组织转变为梯度纳米结构，即最表层晶粒尺寸10-50 nm，晶粒尺寸随层深的增加逐渐增大到原始晶粒尺寸；LZ50钢表面纳米化处理态的表面硬度呈梯度分布状态，最表层显微硬度值大于3.0GPa，比基体硬度值显著提高；LZ50钢表面纳米化处理态的表面粗糙度低于0.4 μm，较车削态表面有显著改善。机车轮轴LZ50钢的旋转弯曲疲劳性能经表面纳米化处理后得到显著提升。