为了提高GCr15轴承钢强韧性，设计了一种GCr15轴承钢双淬火工艺，与常规热处理工艺对比研究发现，采用双淬火工艺处理的GCr15轴承抗拉强度从2 139.5 MPa提高到2 654.5 MPa,旋转弯曲中值疲劳强度从1 000 MPa提高到1 029 MPa。对基体组织定性表征发现，2种热处理后的组织均为针状马氏体，通过定量计算发现，残余奥氏体体积分数从8.33%增加至11.26%,同时位错密度由2.45×1012/cm2增加至3.09×1012/cm2。利用扫描电镜对旋弯断口夹杂物成分分析发现，双淬火处理工艺不改变夹杂物的尺寸、数量和类型。通过微观组织结构与力学性能关系分析发现，双淬火导致抗拉强度、伸长率和高周疲劳强度提升主要归因于缓慢的残余奥氏体TRIP效应以及细晶化带来的变形均匀性。通过微观组织结构与疲劳性能关系分析，发现双淬火引起的低周次疲劳强度降低和高周次疲劳强度提高主要归因于不同疲劳周次下残余奥氏体转变速率不同。快速奥氏体转变导致低周次应力集中增大而疲劳强度降低。相反，高周次的奥氏体TRIP缓解了应力集中，提高了疲劳强度。