表面磨损是硬质合金刀具在高强度服役环境中失效的主要因素,也是研发高性能硬质合金工具所面临的重要问题。近年来,强流脉冲电子束（High current pulsed electron beam,简称HCPEB）在材料表面改性领域发展迅速,短脉冲、高能量密度的电子束辐照下,在材料表面产生热力耦合作用,可以实现材料层微观结构的原位转变。本文以常见的WC-Co类硬质合金为研究载体,利用强流脉冲电子束辐照技术原位调控硬质合金表面微观组织结构,旨在提高硬质合金刀具材料耐磨损性能。本文在HOPE-Ⅰ型强流脉冲电子束装置上选用不同的辐照参数来处理WC-10%Co硬质合金表面,采用显微硬度测试、往复式摩擦磨损实验评价了改性前后硬质合金的性能,利用X射线衍射、三维激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等材料表征测试手段考察强流脉冲电子束辐照处理下硬质合金表面形貌及微观组织结构的影响,总结了微观组织的演变规律并建立微观组织结构与性能之间的关系。通过对比三种不同晶粒度硬质合金试样（YG10、YG10X、YG10S）改性后组织与性能的差异,考察了原始WC晶粒尺寸对改性过程及效果的影响。在改性理论的分析中,结合温度场模拟、高温扩散计算、形核热力学理论计算等手段,揭示了 HCPEB诱导纳米石墨析出行为的特征以及非平衡凝固过程中稳态相与亚稳相的竞争机制。HCPEB辐照处理诱发硬质合金表面的快速熔凝,处理后表面形成熔坑、微裂纹以及“峰-谷”状起伏等典型形貌。进一步表征结果显示,硬质合金试样表层形成了～1 μm厚结构致密的改性层,微米尺寸的WC晶粒转变为大量纳米尺寸的细小晶粒,改性组织以亚稳立方相WC1-x为主,其间弥散分布着黑色的球状纳米石墨颗粒。随着电子束辐照脉冲次数增加,改性层厚度逐渐增大,平均晶粒尺寸进一步减小,改性层中的石墨颗粒发生了再分布,并逐渐向改性层底部集中:三种硬质合金试样表面形貌、组织、显微结构演变规律总体一致,但原始WC晶粒粗细影响相变进度、石墨形成量、晶粒细化程度。显微硬度测试结果表明,HCPEB辐照使硬质合金试样表面发生了硬化,辐照35次后,YG10、YG10X、YG10S试样的显微硬度分别从原始的1735 HV、2167 HV、2240 HV增大至3128 HV、2903 HV、2883 HV,其中YG10试样硬度的增幅最大～80%,显微硬度的提高主要与改性表层内晶粒的细化有关。摩擦学性能也得到了大幅提升,以YG10为例,辐照6次后改性效果最佳,摩擦系数和磨损率分别从初始状态的～0.70和～3.83×10-4 mm3/min减小至～0.23和～1.63×10-4 mm3/min。磨损形貌对比分析结果表明,改性层中的纳米石墨颗粒起到了润滑减摩作用。HCPEB辐照下,硬质合金表面温度场变化极快,数值模拟结果显示,最大升温和降温速率分别可达～1010 K/s和～108 K/s量级,表面温度最高可达～3200 K;在这样的温度循环中,W、C、Co原子扩散能力也有明显变化,随着温度的降低,原子扩散系数大幅减小。根据改性层内的元素分布情况,石墨的析出区域分为贫Co区和富Co区。贫Co区石墨的形成通过WC熔化过程中的分解反应WC?liq.+gra（～3047K）来实现,该区域内石墨颗粒尺寸相对较小;在富Co区内,高温下C原子快速扩散进入该区并迅速析出形成石墨颗粒,由于Co熔点低,该区处于液相时间较长,因而石墨颗粒进一步析出长大。HCPEB辐照后,硬质合金表层内液相的凝固属于极快的非平衡凝固,此过程中会发生稳态相WC和亚稳相WC1-x的竞争。形核热力学理论计算结果显示,高度过冷情况下,由于原子扩散能力对固液界面前沿成分再分布的限制,在适合的成分区间内（C含量低于39 at.%）,亚稳相WC1-x的形成能力大于稳定相WC,因而通过亚稳共晶反应liq.?WC1-x+gra.快速析出,形成精细的纳米组织。考虑到硬质合金材料在使用过程中会涉及高温环境及改性表层组织的亚稳状态,采用了退火的方式探究亚稳结构热稳定性以及表面性能与组织的关系。研究表明,退火温度不高于500℃时,改性层内没有明显的相变;退火温度在600-700℃时,改性层内发生了固态相变WC1-x→HEX*+HCP*→WC+W2C,形成纤维状纳米组织;当退火温度在900℃以上时,改性表层内形成了大量三元相Co6W6C和Co2W4C,以及少量Co3C和无定形碳。显微硬度测试结果显示,采用合适的退火工艺可以进一步提高表面硬度。