雷射表面淬火是雷射表面改性領域中最成熟的技術。它是高能雷射束照射到工件表面，使表層溫度迅速升高至相變點之上(低於熔點)，由於金屬良好的導熱性，當雷射束移開後，通過工件快速的自激冷卻，實現材料的相變硬化。
雷射表面淬火具有以下主要特點：材料高速加熱和高速冷卻，加熱速度可達104- 109℃/s，冷卻速度大於104℃/s；雷射表面淬火件的硬度高，通常比常規淬火高5%~ 10%，淬火組織細小，硬化層深度約為0.2~ 0.5mm；由於加熱和冷卻速度快，熱影響區小，對基材的性能及尺寸影響小；易於實現局部、非接觸式處理，特別適於複雜精密零件的硬化加工；生產效率高，易實現自動化操作，無需冷卻介質，對環境無污染。
鋼鐵材料雷射表面淬火後，表層分為硬化區、熱影響區和基體三個區域。硬化區與常規淬火相似，過渡區則為部分馬氏體轉變區域。
雷射表面淬火加熱速度和冷卻速度快，對晶粒有明顯的細化作用，同時，雷射表面淬火層具有一系列優異的力學性能。
(1)硬度 雷射表面淬火比常規淬火、高頻感應加熱淬火具有更高的硬度。高速鋼經雷射表面淬火後，在隨後的加熱過程中能保持比常規淬火更高的硬度。
(2)耐磨性 雷射表面淬火後材料表面發生馬氏體相變，晶粒細化，表面硬度提高，可較大幅度地提高材料表面耐磨性。
(3)殘留應力和疲勞性能 材料表面的殘留應力是由雷射表面淬火處理過程中的組織應力和熱應力共同決定的，雷射表面淬火的工藝參數對殘留應力影響很大。一般來講，雷射功率密度增加或掃描速度降低，硬化層厚度增加，將會提高表面的殘留壓應力，相反則硬化層厚度降低，表面殘留壓應力減小，甚至出現殘留拉應力，兩次重疊處理極易出現殘留拉應力。
材料表面的應力狀態直接影響材料的疲勞性能。採用合適的雷射表面淬火工藝，可使金屬材料的顯微組織明顯細化、表面硬度提高並具有殘留壓應力，從而有效地提高材料的疲勞抗力。如30CrMnSiNi2鋼經雷射表面淬火後，其圓角試樣的疲勞性能可提高98%。
