晶粒细化是提高钢铁材料性能的重要手段，它在提高强度硬度的同时，又不降低其塑韧性，不仅能够有效的延长机械设备的使用寿命，还可以实现节约资源和减轻由于机械设备或结构过早失效而给地球带来的环境负荷的压力，对人类的可持续发展具有重要的意义。高碳钢作为一类性能优异的工模具材料，在工业上有着广泛的应用，如何使高碳钢在组织超细化的同时获得优异的综合性能，是一个具有重要学术价值和实际意义的课题。因此，开展超细晶粒高碳钢的制备及组织性能的系统研究是迫在眉睫的一项重要任务。本文分别利用分离式霍普金森压杆(Split hopkinson pressure bar，简称SHPB)实验技术(应变速率大，变形小)和等径弯曲通道变形(Equal Channel AngularPressing，简称ECAP)方法(应变速率小，变形大)对原始组织为粒状珠光体的高碳钢进行塑性变形，成功制备出了铁素体(α)晶粒直径和渗碳体(θ)颗粒粒径均在亚微米量级的超细晶粒高碳钢。借助微观分析手段对不同变形条件下的超细晶粒高碳钢进行了组织特性表征，利用微力材料试验机和显微硬度计测试其力学性能。基于SHPB装置在高应变速率变形条件下的应力-应变曲线表明，随着应变速率的增加，流变应力也随之增大，粒状珠光体钢表现出正的应变率敏感性；组织得到了明显细化，成功制备出了晶粒尺寸在亚微米量级的超微细复相高碳钢组织(α+θ)。当应变速率为3078.2s-1时，铁素体晶粒尺寸约为500~700nm，渗碳体颗粒粒径约为100~250nm，硬度值由原始态的195HV增至270HV。基于ECAP实验手段对粒状珠光体钢采用BC方式在室温、650℃分别进行大塑性变形实验，高碳钢组织得到有效细化。经冷变形4道次后，铁素体晶粒尺寸约为400nm，渗碳体颗粒粒径大小约为100nm；经温变形4道次后，获得的等轴铁素体晶粒尺寸约为450nm，渗碳体颗粒粒径大小约为200nm。经冷变形4道次后抗拉强度从原始态的598MPa增至1077MPa，硬度值由原始态的195HV增至309HV；温变形4道次后抗拉强度和硬度呈现先增加后降低的趋势，温变形2道次后的抗拉强度和硬度值达到最大值分别为870MPa、275HV，温变形4道次后的抗拉强度和硬度值分别为782MPa、258HV。经冷、温变形后的延伸率分别由原始态的20.1%降至10.2%、16.8%，在不损失太大的塑性指标的前提下，大大提高了材料的强度。相对于原始粒状珠光体组织其综合力学性能明显提高。超细晶粒高碳钢断口形貌观察表明，随着挤压道次的增加，小而浅的韧窝数量逐渐增多，大而深的韧窝数量逐渐减少。冷变形4道次后的断口形貌中夹杂着少量准解理断裂的形貌特征，存在少量大而深平均尺寸约为4μm的韧窝，均匀分布的大量小而浅平均尺寸约为1μm的韧窝。温变形4道次后断口形貌密布着小而浅平均尺寸约为1μm的韧窝。