本论文采用CaCl₂溶液与液氮为淬火介质对20CrMnTi钢进行强烈淬火，然后进行低温回火。处理得到的试样利用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪和透射电子显微镜等实验设备对不同强烈淬火工艺处理的20CrMnTi钢进行金相组织和原奥氏体晶界观察；利用维氏显微硬度仪和X射线衍射分析仪测定20CrMnTi钢力学性能和残余应力、物相。分析了不同强烈淬火工艺对组织及力学性能的影响。结果显示：20CrMnTi钢强烈淬火后试样存在由表面到心部的硬度分布梯度及残余压应力梯度分布，从表面到心部硬度与残余压应力均逐渐降低；强烈淬火组织的原奥氏体晶界处存在再结晶现象，且表面再结晶程度明显高于心部，再结晶后转变得到的马氏体超细化组织；强烈淬火组织内有弥散、均匀、细小的析出相存在，为：Cr₇C₃、C₂₃C₆、Mn₂₃C₆、Ti₂C_0.06、Fe₃C、Fe₅C₂、Fe₇C₃，且随着淬火时间的变化碳化物呈现亚稳态和稳态变化；20CrMnTi钢经强烈淬火后，其显微硬度、冲击韧性、拉伸性能、使用寿命均有大幅提高，经测试发现强烈淬火后工件的使用寿命相比常规淬火要提高1³倍，强烈淬火后工件的冲击韧性比常规淬火提高了约15%。分析表明：以CaCl₂溶液和液氮为淬火介质的复合淬火工艺可以实现强烈淬火，得到强烈淬火组织；试样表面残余压应力抑制了淬火裂纹的产生，同时抑制使用过程中微裂纹萌生和修复已产生的微裂纹，且残余压应力的存在还可以有效的提高使用寿命；显微硬度的梯度分布可以有效的吸收冲击功，提高了冲击韧性；原奥氏体晶界发生再结晶现象，使转变后的马氏体组织超细化，从而产生细晶强化，提高了材料的强度与韧性；强烈淬火低温回火后的析出相更加弥散与细小，提高了材料的强度，Cr、Mn、Ti、Fe碳化物一般具有高的硬度、高的熔点，碳化物的均匀分布可以显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。