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本文以低碳钢20CrMnTi钢和中碳钢30CrMnSi钢为研究材料,通过不同热处理工艺获得板条马氏体多层次组织参量,即原奥氏体晶粒（dr）、马氏体束（dp）、块（db）及板条（dl）,且利用OM、SEM、EBSD、TEM等测试手段对多层次组织参量进行定量表征;同时对20CrMnTi钢中的TiN夹杂物进行定量分析。对两种试验钢进行室温力学性能分析,包括室温拉伸性能、冲击韧性和断裂韧性测试,以获得试验钢的屈服强度、抗拉强度、裂纹韧性(KIC)和缺口韧性（CUN）。利用Hall-Petch关系建立力学性能和多层次组织参量的关系,获得各性能指标的组织控制单元,揭示多层次组织对力学性能影响的机制。30CrMnSi钢为碳含量较低的中碳钢,其淬火低温回火态组织均为板条马氏体。随着原奥氏体晶粒粗化,马氏体束和马氏体块尺寸增大;马氏体条与淬火温度有关,淬火温度越高,马氏体条宽度越小。另外随着原奥氏体晶粒粗化,30CrMnSi钢屈服强度、抗拉强度、断面收缩率和断后延伸率均是降低的,断裂韧性提高,冲击韧性基本不变;强度指标符合Hall-Petch关系,大角度晶界对强度起着至关重要的作用,其中马氏体块尺寸对强度的贡献作用最大。20CrMnTi钢为低碳低合金钢,由于冶炼过程中氮含量偏高,基体中析出大量TiN夹杂颗粒。通过SEM、EBSD和EDS定量表征分析,结果表明:随着淬火温度升高,原奥氏体晶粒、马氏体束和马氏体块尺寸增大;TiN夹杂为高温稳定相,不容与基体,形状多为方形,分布弥散。随原奥氏体晶粒尺寸增大,20CrMnTi钢拉伸试样均为塑性断裂,而断裂韧性和冲击韧性为脆性的解理断裂,TiN夹杂对强度影响不大,粗晶状态试样的塑性略微降低,大角度界面仍然是影响强度的重要因素。随原奥氏体晶粒尺寸增大,20CrMnTi钢冲击韧性和断裂韧性降低;结合Hall-Petch关系发现,原奥氏体晶粒、马氏体束和马氏体块对裂纹扩展均有阻碍作用,其中马氏体束尺寸贡献最大。TiN夹杂是造成20CrMnTi钢解理开裂的主要原因,在高应力集中状态下,TiN夹杂颗粒可以引起两种解理裂纹萌生机制,造成试样的解理断裂。