本文选取51CrV4弹簧钢作为实验材料,采用DIL805A/D热模拟试验机对51CrV4弹簧钢进行快速加热循环淬火热处理,同时利用OM、SEM和TEM对不同循环淬火次数的显微组织进行表征,研究了在高层错能51CrV4弹簧钢中制备微纳尺度孪晶的具体步骤和工艺。测定了不同热处理状态的力学性能和微观结构及其组织参量,较为系统的分析了51CrV4弹簧钢中的第二相碳化物颗粒、晶粒尺寸超细化和微纳尺度孪晶的演变过程对其力学性能的影响,得到以下主要结果:(1)51CrV4弹簧钢在1000℃/s的加热速率,820℃奥氏体化,300℃/s的冷却速率冷却的工艺参数下,单次淬火最佳细化晶粒的保温时间为2s。当以此工艺参数对51CrV4弹簧钢进行循环淬火热处理,细化其原奥氏体晶粒尺寸时,循环淬火至6次的试样细化效果最佳,此时的平均晶粒尺寸为1.76μm。(2)1次淬火、循环3次淬火和循环6次淬火的孪晶片层厚度分别为17.41nm、15.27nm和11.71nm;孪晶片层长度分别为202.49nm、196.75nm和148.61nm。微纳尺度孪晶含量分别为3.59%、4.01%和6.78%。在循环淬火的过程中,51CrV4弹簧钢组织中稳定性差的碳化物的细化、熔解,稳定性高的碳化物的存在和晶粒尺寸的细化,都促进51CrV4弹簧钢淬火形成孪晶。(3)循环淬火6次的试样,第二相碳化物颗粒贡献强度增量的百分比为-11.03%,细晶强化贡献强度增量的百分比为42.92%,微纳尺度孪晶强化贡献强度增量的百分比为68.11%。可见,微纳尺度孪晶含量的增加和尺寸的细化对强度的贡献最大。此时,实验钢的最高屈服强度抗拉强度分别为1792.93MPa和2036.2MPa,最大断面收缩率为44.0%,具有优异的强塑性配合。