El acero convencional 4340 se utilizó después del temple y revenido, fortalecido por la clásica estructura perlítica donde las partículas de cementita están dispersas a través de la matriz de ferrita. En el presente estudio, se introdujo una microestructura de heteroestructura que consiste en zonas de ferrita residual de tamaño micro y zonas perlíticas mediante un proceso optimizado de temple intercrítico y revenido, resultando en un acero con mayor resistencia y mejor tenacidad. El acero perlítico tiene una resistencia a la tracción de 1233 MPa, una resistencia de fluencia de 1156 MPa y una tenacidad de 121.5 MJ/m3. En comparación con el acero perlítico, la resistencia a la tracción y la resistencia de fluencia del acero de heteroestructura se han mejorado en 67 MPa y 74 MPa, respectivamente, mientras que la tenacidad ha aumentado en 52.5 MJ/m3. En esta heteroestructura, los bloques de ferrita de tamaño micro sirven como las zonas blandas rodeadas por las zonas duras de la estructura perlítica para lograr una notable capacidad de endurecimiento por trabajo. El análisis estadístico muestra que la heteroestructura tiene la mejor capacidad de endurecimiento inducido por heterodeformación (HDI) cuando el bloque de ferrita residual contribuye con aproximadamente el 31% en fracción de volumen, y la temperatura de temple está alrededor de 780 grados C. Este estudio abre nuevas formas de pensar sobre el mecanismo de fortalecimiento y tenacidad del tratamiento térmico de aceros de carbono medio.