通过采用新型表面改性技术,在金属零部件表面制备出具有优异性能的改性层,已经在机械制造、冶金矿山等需要零部件表面具有高耐磨性的领域引起广泛重视。贝氏体钢具有高强度、高韧性和良好的尺寸稳定性优点,成为工程领域研究的热点。然而,目前将零部件表面处理成为贝氏体改性层的报道较少。本文采用电弧堆焊技术和激光重熔技术,在中、低碳合金钢表面制备贝氏体改性层,并对贝氏体强化机理进行研究,为具有贝氏体表面改性层零部件广泛应用提供理论基础。采用Jmatpro和Thermocale热力学软件对表面改性层合金成分进行设计,采用金相显微镜和扫描电子显微镜对表面改性层显微组织进行观察并对晶粒尺寸进行测量,采用X射线衍射和透射电镜对表面改性层相结构和晶体结构进行分析,采用洛氏硬度计、显微硬度计、纳米压痕仪、拉伸试验机以及摩擦磨损试验机等设备对表面改性层力学性能进行分析表征,采用数值模拟方法对表面改性层的温度场和应力场进行分析。通过合金成分设计,确定出一组能够在电弧堆焊后空冷条件下获得粒状贝氏体组织的合金成分。粒状贝氏体中包含贝氏体铁素体和由马氏体/残余奥氏体共同构成的M/A岛,且力学性能较为优异。C含量增加会显著提高合金的硬度,但同时也增加了出现堆焊裂纹的倾向,并且无法通过堆焊后空冷的方式直接制备出贝氏体显微组织。因此,在电弧堆焊后300℃等温转变,使显微组织转变为韧塑性较好的贝氏体。贝氏体能够在枝晶间的显微偏析区域形成,提高了合金整体的韧塑性,降低了中碳合金钢的开裂倾向。将稀土氧化物Y₂O₃作为添加剂加入到粒状贝氏体堆焊药芯焊丝中,发现Y₂O₃的添加对粒状贝氏体显微组织产生明显的细化作用,提高堆焊层的力学性能,合金的硬度由272±13HV增加至312±8HV,堆焊层的抗拉强度由764MPa增加至885MPa,摩擦系数由1.22降低至1.10,磨损失高由0.180降低至0.135。通过Bramfitt二维点阵错配度理论计算得到Y₂O₃的（100）晶面与奥氏体（001）晶面错配度为3.67%,能够成为初生奥氏体的异质形核核心,是显微组织细化的主要原因。因此,Y₂O₃能够成为有效提高电弧堆焊层合金力学性能添加剂。采用激光重熔及后续等温转变的处理工艺使低碳合金钢表面为贝氏体组织,激光重熔处理后,改性层显微组织细小,硬度由375HV提升至445HV,且硬度分布均匀。激光重熔处理使残余奥氏体的体积分数由17.2%降低至10.6%。激光重熔处理使得贝氏体铁素体晶格常数由0.28692nm增加至0.28704nm,C原子的过饱和度增加。采用激光重熔及后续等温转变的方法在中碳钢表面制备出具有无碳化物贝氏体显微组织的表面改性层。贝氏体铁素体中C原子固溶量明显增加,并且,微观结构的表征证实了激光重熔处理导致了奥氏体孪晶、堆垛层错束和ε-马氏体等塑性变形相的形成。通过HRTEM分析以及α-Fe择优取向关系,证实了应力诱发剪切带以及应力诱发马氏体是由于热应力推动不全位错滑移而形成的。中碳钢激光重熔层硬度由6.66GPa提升至7.76GPa,纳米压痕硬度面分布云图检测到大量硬质点存在于改性层表面,在接近表层位置的硬度最高值达到8.81GPa,通过对其纳米压痕加卸载过程的分析证明了硬质点与纳米孪晶、堆垛层错束和ε-马氏体等结构的形成密切相关。在20℃、100℃和200℃条件下进行摩擦磨损试验,证明了激光重熔无碳化物贝氏体具有相对较高的耐磨性。剪切带、残余奥氏体等塑性相的存在,防止了因硬度升高而出现的磨损表面剥落。通过对合金钢电弧堆焊和激光重熔层温度场和应力场的数值模拟可知,电弧堆焊和激光重熔及后续等温转变适合于对中、低碳合金钢进行表面改性。在电弧堆焊电压相同的条件下,环境温度由25℃提高到300℃,熔化区最高温度提高140℃;相同等温温度条件下,焊接电压每提高2V,熔化区最高温度提高96℃;焊前预热、焊后保温工艺使电弧堆焊表层残余拉应力降低85MPa。对于激光重熔,随着激光移动速度由7.5mm/s增加至40 mm/s,激光重熔层最高温度由1956℃降低至1428℃,会在表层出现未熔化现象;采用激光重熔及后续等温转变能够有效的降低改性层的应力值,改性层表面等效应力最大值由0.94GPa降低至0.39GPa。