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本文提出了一种使合金钢表面纳米贝氏体化的工艺方法，分析了表面纳米贝氏体的组织特征，并测试了这种合金钢经表面纳米贝氏体化以后的磨损和滚动接触疲劳性能，从而为其在轴承和齿轮等基础零部件方面的应用提供参考依据。首先设计了不同成分的低碳合金钢，并对其进行渗碳热处理，然后在盐浴炉中进行等温淬火，等温淬火温度为渗层Ms点以上30-50℃，等温时间为0.5-150h，等温淬火后进行空冷。采用金相显微镜、场发射扫描电子显微镜及透射电镜对渗层不同深度组织进行观察；采用X射线衍射对组织的奥氏体含量及渗层残余应力进行分析；用显微硬度计测量了渗层不同深度的显微硬度。采用磨损试验机和滚动接触疲劳试验机测试了等温淬火试样的摩擦磨损和滚动接触疲劳性能。结果表明，由于渗碳显著提高了合金钢表面的碳浓度，从而大幅度降低表面的马氏体转变开始温度，经过在渗碳表面Ms点以上30-50℃进行等温淬火后，在渗碳层生成了纳米贝氏体组织，心部得到低碳马氏体组织，过渡层得到贝氏体和马氏体混合组织。纳米贝氏体组织由厚度低于100nm的贝氏体铁素体板条及分布于板条间的残余奥氏体薄膜组成，其中在200℃等温淬火试样的贝氏体铁素体板条平均厚度达到了50nm，残余奥氏体薄膜的厚度为几纳米到十几纳米。纳米贝氏体的生成使渗碳层硬度超过600HV，心部低碳马氏体的生成使硬度达到了470HV。经表面纳米贝氏体化以后的合金钢表面产生了很大的压应力，其中经200℃和230℃等温淬火后，表面压应力值分别达到了216MPa和196MPa。结果表明，在合金钢中添加合金元素Al的同时，减少合金元素Mn等，能有效加快合金钢表面纳米贝氏体的生成速度。经加快转变速度后，纳米贝氏体组织的贝氏体铁素体板条进一步得到轻微的细化，而组织中的残余奥氏体含量明显减少，硬度有所提高。另外，经渗氮以后合金钢表面的纳米贝氏体化速度也明显加快。在50N、200N和300N三个载荷下进行的磨损试验结果显示，合金钢经表面纳米贝氏体化以后，耐磨性优于传统的渗碳淬火齿轮钢，在不同载荷下，纳米贝氏体表现出了与淬火马氏体不同的磨损现象和和磨损机理。分析表明，纳米尺度的组织结构、富碳的残余奥氏体薄膜及磨损面组织的强烈细化，是造成纳米贝氏体耐磨性优于渗碳淬火马氏体的主要原因。合金钢经表面纳米贝氏体化以后，其滚动接触疲劳性能也明显优于渗碳淬火齿轮钢，在1550MPa和1900MPa载荷下，表面纳米贝氏体化以后的合金钢的滚动接触疲劳寿命平均值分别为3.8×10~7周和2.3×10~7周，比渗碳淬火齿轮钢的滚动接触疲劳寿命提高一倍以上。