از آنجائیکه دستیابی به ترکیبی از استحکام و تافنس بالا و همچنین خواص خستگی خوب در فولادهای کم آلیاژ از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است، لذا اصلاح و بهینه سازی پروسه های عملیات حرارتی برای نیل به این هدف ضروری است. در این پژوهش و در راستای رسیدن به اهداف مورد نظر، پروسه های عملیات حرارتی مختلفی طراحی گردید و روی فولاد aisi 4140 انجام شد. پس از بررسی های لازم، سیکل عملیات حرارتی بهینه (کوئنچ و تمپر دو مرحله ای) مشخص گردید. نمونه های کوئنچ و تمپر دو مرحله ای ابتدا در دمای c°860 به مدت 1 ساعت آستنیته و در روغن داغ کوئنچ و سپس در دمای c°300 به مدت 1 ساعت تمپر شدند. در ادامه، مجدداً در دمای c°860 آستنیته و در روغن داغ کوئنچ و در نهایت نمونه ها در دمای c°600 به مدت 30 دقیقه تمپر شدند. خواص مکانیکی، ریزساختاری و سطوح شکست نمونه ها بوسیله آزمونهای مکانیکی، میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین توزیع عناصر ناخالصی در داخل و مرز دانه ها با استفاده از آنالیز خطی اشعه x (edx line scan) بررسی شد. نتایج نشان داد که انعطاف پذیری نمونه های کوئنچ و تمپر دومرحله ای به مقدار قابل توجهی در مقایسه با نمونه های کوئنچ و تمپر معمولی افزایش یافته است؛ بطوریکه درصد افزایش طول و کاهش سطح مقطع در حالت کوئنچ و تمپر دومرحله ای به ترتیب 36 و 23 درصد در مقایسه با کوئنچ و تمپر معمولی بهبود یافته است. همچنین در مقادیر تقریبا ثابت سختی (33hrc)، انرژی ضربه از مقدار 68j در حالت کوئنچ و تمپر معمولی به مقدار 78j در نمونه های کوئنچ و تمپر دومرحله ای افزایش یافته است. بررسی سطوح شکست نمونه های ضربه حاکی از کاهش شکست ترد نمونه کوئنچ و تمپر دو مرحله ای در مقایسه با کوئنچ و تمپر معمولی می باشد. بهبود استحکام خستگی از mpa460 در نمونه های کوئنچ و تمپر معمولی به mpa530 در نمونه های کوئنچ و تمپر دو مرحله ای به اصلاح ریزساختارهای مارتنزیتی که ناشی از ریز شدن دانه های آستنیت اولیه می باشد و باعث تغییر مواضع تشکیل ترک در طی تست خستگی می شود، نسبت داده می شود. شکست نهایی نمونه-های خستگی در نمونه کوئنچ و تمپر معمولی بصورت نیمه ترد (شبه کلیواژ) و مسطح بوده، در حالیکه شکست نهایی نمونه های کوئنچ و تمپر دو مرحله ای بصورت نرم می باشد. همچنین بررسی میکروسکوپی سطوح شکست خستگی حاکی از تأثیر عملیات حرارتی کوئنچ و تمپر دو مرحله ای بر به تعویق انداختن جوانه زنی و رشد ترک های خستگی می باشد.