Методами рентгеноструктурного фазового анализа и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии исследована микроструктура и фазовый состав поверхностных слоев стали 40Х13 после облучения высокоинтенсивными низкоэнергетическими пучками ионов, ультразвукового поверхностного модифицирования и комбинированной обработки, включающей ультразвуковое модифицирование поверхности и ионную имплантацию. Обнаружено, что ультразвуковое модифицирование поверхности стали приводит к изменению структуры отпущенного мартенсита и образованию в мартенситных пластинах субмикрокристаллической зеренной структуры с размером зерна 0.3 мкм и наноразмерных специальных карбидов Cr23C0. Ионная имплантация исследуемой стали приводит к формированию азотированного слоя, состоящего из нитридной зоны - смеси нескольких фаз и зоны внутреннего азотирования. Предварительная ультразвуковая модификация приводит к увеличению нанотвердости и толщины азотированного слоя, что обусловлено более интенсивным проникновением атомов азота в поверхностный слой, увеличением в нем объемной доли нитридов железа и плотности ультрадисперсных частиц нитридов хрома.