電子束表面淬火是將工件置于低真空室中，用103～106W/cm2的高速電子流轟擊工件表面，在極短的時間內，把鋼件的表面加熱到鋼的相變點以上，由于電子束能量極高、集中，加熱層很薄，可以靠自激冷卻進行淬火，表面層轉變為晶粒極細的馬氏體。用線狀電子束掃描裝置可得到長期方形的硬化層，這樣能量分布較為均勻，可以得到較理想的硬化層。
電子束的功率密度和加熱時間是電子束加熱的主要參數。在其他因素相同情況下，隨著功率密度的增加，淬硬層深度增加，淬硬層硬度提高。在相同的條件下，淬硬層深度隨著加熱時間的增加而加深。但是加熱時間過長，會使金屬基體變熱，影響自激冷卻效果。加熱時間可用工件移動速度來調整，掃描速度過快起不到硬化效果，過慢會引起材料表面出現微熔。掃描速度一定時，功率增大則使實際奧氏體化溫度升高，引起馬氏體組織粗化。改變電子束的功率密度和掃描速度，可以改變淬火帶的寬度和淬硬層深度。由于電子束的射程長，局部淬火部分的形狀不受限制，即使是深孔底部及狹小的溝槽內部也能淬火。表面淬火加熱所需能量密謀只需103W/cm2，控制表面溫度低于熔點，在奧氏體轉變溫度下維持一定時間，以增加淬硬層深度。電子束工作時，依次照射每個特定的點，在一定點停留20～100ms后，以其熱影區可以忽略的極快速度，在1ms之內將電子束移到下一個點，形成淬火工件要求的圖案。
電子束熱處理是在真空中進行，所以無氧化脫碳現象發生，處理后表面呈白亮色。電子束淬火后，零件幾乎不發生變形，可以作為最后一道工序，淬火后可直接裝配使用。經電子束加熱表面淬火后，工件表面層呈壓應力狀態，有利于提高疲勞強度，從而延長工件使用壽命。
電子束加熱表面淬火，表層得到晶粒極細小的隱晶馬氏體，可以提高材料的強度與韌性，其硬度比常規熱處理高1～3HRC，如正火狀態的45鋼經電子束表面淬火后，硬度約為800～830HV，淬硬層深度可達0.2～0.3mm，T10A可達65～67HRC，GCr15可達67HRC以上，Cr12MoV可達800～700HV。磨損試驗表明，電子束淬火比常規熱處理的耐磨性提高5倍。
對汽車離合器凸輪進行選擇性表面淬火，每個工件需淬火8個部位，硬化層深度1.5mm，表面硬度58HRC。采用這種方法處理，避免了用感應加熱表面淬火難以克服的變形問題。用電子束表面淬火強化T10鋼沖模，先用780～800℃，油淬，180～200℃回火，硬度為58～60HRC，刃口部分用聚焦電流495mA，加速電壓為45kV，束流為101mA，束寬20mm，移動速度為30mm/s的電子束加熱淬火，表面硬度可達65～66HRC。
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