Показано можливість підвищення механічних властивостей сталі 20ГЛ за рахунок електроіскрового леґування (ЕІЛ) ніклевою або молібденовою електродами її поверхні та багаточинникового позитивного впливу фінішного ультразвукового ударного оброблення (УЗУО). Показано, що окремо застосоване УЗУО веде до зростання мікротвердости та підвищення втомної міцности сталі 20ГЛ на базі 10$^{6}$ циклів за умов амплітудних циклічних навантажень у межах 360–400 МПа. Поверхневий шар після ЕІЛ молібденом демонструє вдвічі вищу мікротвердість, ніж вихідний і леґований ніклем зразки сталі 20ГЛ, що пов’язано з твердорозчинним зміцненням і багатофазністю модифікованого молібденом шару. Фінішне УЗУО модифікованих ЕІЛ шарів підвищує втомну довговічність сталі 20ГЛ, насамперед, за рахунок зниження шерсткости, формування залишкових макронапружень стиснення та створення дрібних дислокаційних комірчастих структур. При цьому збільшення числа мікроструктурних концентраторів і зменшення їхньої потужности знижує ймовірність локалізації деформації та раннього зародження втомних тріщин.