M50为一种高碳高合金钢,具有优异的高温硬度及耐磨性,因此被广泛用于制造刀具、轴承及模具等。然而,随着先进制造业及航空航天工业的发展,韧性不足成为限制其使用的主要问题。淬火-碳分配-回火（Q-P-T）作为一种较新的热处理思想,其主要原理是基于碳原子对残余奥氏体的稳定化作用,于材料中引入部分奥氏体以提高韧性;回火过程则强调了弥散碳化物对材料的析出强化作用,从而得到优异的强韧性组合。论文利用Q-P-T工艺,通过改变淬火、碳分配以及回火过程参数,实现对M50钢微观组织的调控,在保证材料硬度及强度的前提下,提高其韧性。同时基于M50钢成分特点,为Q-P-T工艺在高碳低Si含量合金钢中的应用提供实验及理论依据。首先研究了奥氏体化过程对M50钢微观组织的影响。退火态M50钢中含有大量的碳化物,主要类型为M₂₃C₆、M₆C、M₂C和MC。其在奥氏体化过程中的溶解情况会影响后续碳分配过程的初始碳浓度,同时奥氏体化过程还会影响M50钢中的残余奥氏体含量。利用不同奥氏体化温度对M50钢进行热处理后发现,fcc-M₂₃C₆和fcc-M₆C的完全溶解温度分别≥1000°C和1100°C,而Hexa-M₂C和fcc-MC的完全溶解温度>1160°C;随奥氏体化温度的升高,碳化物逐渐溶解导致基体中碳含量升高,淬火态M50钢中残余奥氏体含量呈逐渐增加趋势,同时伴随着马氏体逐渐粗化;另外,还研究了奥氏体化时间对M50钢中微观组织的影响,结果表明其组织变化对时间的依赖性较小。典型Q-P-T过程的相关热力学研究主要基于Fe-C二元合金的“限制条件碳准平衡（CCE）”模型。淬火态M50钢的马氏体与奥氏体中含有大量的Cr及Mo元素,会对碳原子的活度系数产生一定程度的影响。针对高碳高合金钢的这一特点,构建了新型CCE-Alloy（CCEA）模型,并利用CCEA模型研究了奥氏体化温度对碳分配后M50钢中残余奥氏体平衡碳浓度的影响,与实际测得的碳含量及CCE模型计算结果进行了比较。结果表明,CCEA模型的计算结果与实际测得的碳含量变化趋势一致,可用于指导实际热处理过程中奥氏体化温度的选择。碳分配过程作为Q-P-T处理的核心步骤,对M50钢最终组织及性能具有重要的影响,因此对碳分配过程中M50钢微观组织演化规律进行了细致的研究。结果发现,对淬火态M50钢于250°C⁴00°C下进行碳分配处理后,残余奥氏体均出现了一定程度的富碳;不过当碳分配温度较低时,由于碳原子活性相对较差,导致残余奥氏体富碳程度低;另一方面,由于M50钢中缺乏Si/Al元素,使得长时间保温时会促进碳化物的析出,同样导致残余奥氏体富碳程度降低,热稳定性较差,并且原位HRTEM结果表明碳分配保温过程中存在α/γ界面迁移现象,亦会导致奥氏体含量的降低。以300°C下对M50钢进行碳分配为例,经传统淬火-回火工艺处理后试样中残余奥氏体含量为2.0%,而经Q-P（300°C,2 min）-T过程处理后由于碳分配步骤的存在,残余奥氏体富碳热稳定性增加,使其含量增加为7.5%,不过随着碳分配时间的延长降低至2.7%（24 min）;其它碳分配温度对M50钢中残余奥氏体的稳定化作用,与300°C下影响规律近似相同。最后研究了热处理过程中微观组织变化对M50钢力学性能的影响,结果表明新型Q-P-T工艺可以在不降低M50钢硬度和强度的前提下,显著提高材料的韧性,并探讨了Q-P-T处理下的强韧化机制。经传统淬火-回火工艺处理后的M50钢微观组织主要包括回火马氏体、残余奥氏体（2.0%）及弥散析出的二次碳化物,其室温冲击吸收功为10.4 J,硬度为HRC 62.3,屈服强度和抗拉强度分别为1894 MPa和2377 MPa。而经Q-P（300°C,2 min）-T工艺处理后,M50钢中残余奥氏体含量达7.5%,冲击吸收功相较于传统工艺提高了93%;然而较高的碳含量强化了奥氏体,并且碳分配过程中析出的Fe₃C为后续回火过程中合金碳化物的析出提供了更多形核位置,导致经Q-P-T工艺处理后M50钢中二次碳化物更加弥散,因此材料硬度和强度相较于传统淬火-回火工艺并未降低;对于长时间碳分配保温的Q-P-T试样,尽管残余奥氏体含量与传统工艺下近似相等,然而由于长时间碳分配使得马氏体中位错逐渐回复,形变能力增强,导致其冲击韧性依然优于传统淬火-回火试样。