近年来等离子表面处理技术越来越受到人们关注。同为高能热源表面处理技术，等离子弧表面淬火效果与激光淬火相近，解决了许多传统热处理工艺无法避免的难题。低成本，节能环保等优势使其发展迅速。为更好地推动等离子淬火技术的应用，通过数值模拟和优化实验建立稳定的工艺流程以提高生产效率节约加工成本，是需要重点研究的问题。结合有限元分析，对40Cr为材料的钢板表面淬火过程温度场进行模拟，研究分析温度场与应力场的分布情况。考虑了与实际情况基本一致的初始条件和边界条件，在ANSYS的环境下，建立以高斯模型为热源的三维等离子弧淬火有限元模型，通过间接法得出残余应力分布情况，并针对不同淬火时间和不同厚度的工件进行模拟和分析。根据等离子枪头扫描速度、喷嘴直径、电流、电压以及压气流量等参数对等离子表面淬火效果的影响，制定实验方案，利用自主设计的四自由度机器人，对40Cr试样进行五个不同方案的等离子淬火。利用X射线应力测量仪测量40Cr试样等离子淬火后的残余应力，对残余应力进行分析。实验数据表明：原始试样表层存在的是拉应力，经过高能量的淬后试样表面变为压应力，残余应力由喷嘴直径和扫描速度的增大而减小，随着等离子电流，电压大而增大，氩气流量对等离子淬火的影响相对较小。理论分析与实验结果基本一致。