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钢中碳化物类型、数量、尺寸及分布对钢的工艺、组织及性能有极为重要的影响。碳化物的细化对提高钢的强韧性、抗疲劳断裂等性能均有重要作用。目前应用于工模具材料的高碳合金钢分为两种,一种为高碳低合金工模具钢,另一种为高碳高合金工模具钢。对于低合金钢,当为了提高其耐磨性而增加合金含量使之成为高碳中合金钢时,碳化物细化却成为难题。而且,由于高碳中合金钢的淬火残余奥氏体量比高碳低合金钢高得多,势必要求更高的回火温度,由此却可能导致硬度下降。因此,国内外工模具钢历来缺少高碳中合金钢品种。现有的大多数高碳高合金钢中由于碳化物数量多、分布密度大容易聚集长大,通过常规的锻轧加工和热处理工艺很难达到细化的目的,而通过复杂的锻轧加工或热处理工艺又会增加工艺上的困难,并消耗较多的能源,往往也很难达到理想的细化程度。因此,进一步研究超细碳化物高碳中,高合金钢的合金设计方法,对于开发研制性能优越的新型工模具钢材料具有重要的理论意义和实际应用价值。本文通过对高碳合金钢的相平衡热力学计算和实验结果分析,对超细碳化物高碳中、高合金钢的合金设计进行了研究,提出了完整的合金设计方法。针对实际的工模具应用开发出具有超细碳化物的DM7S高合金钢和DM8B中合金钢。由高合金钢的理论计算和实验结果分析得出,Cr,W,Mo元素含量设计合理时,高合金钢中的M6C的数量增加,在一定程度上抑制M23C6和M7C3碳化物以使退火碳化物均匀细化。由于MC碳化物是淬火未溶碳化物细化的关键,为了避免共晶MC碳化物的出现,应控制V含量。通过亚稳定平衡计算得到高合金钢在回火过程中存在的稳定碳化物相为M23C6,MC和M6C,亚稳定碳化物相为M7C3,M3C渗碳体和M2C（HCP）。亚稳定平衡计算结果与实验结果基本一致。中合金钢实际热处理过程偏离平衡态,需对相平衡热力学计算结果进行修正。中合金钢退火碳化物的细化较之高合金钢更为重要。钢中Cr/（W+2Mo）值越小,M6C碳化物数量越大,M6C,MC和M23C6碳化物数量搭配合适才有利于碳化物细化。因此可以通过相平衡热力学计算推测M6C碳化物的数量,进而对合金成分进行调整控制,以得到碳化物细化的中合金钢。建立了高Cr,低W、Mo的高合金钢的平衡碳计算公式,提出Cp=0.016W+0.063Mo+0.099Cr+0.19V,二次硬化的回火硬度的计算公式为Hc=a（1+b）/（0.0127a+0.00267）,其中a为基体碳饱和度,b为碳化物沉淀量的修正因子。提出淬火硬度计算公式HRc=α（1+β）/0.00915α+0.00586,α为基体中含C量的平方根,β为基体中合金元素固溶强化对马氏体硬度影响的修正系数,此公式隐含着洛氏硬度测定和马氏体强化机理的对应关系,对其它钢种也适用。研制开发出具有超细碳化物的DM7S高合金钢。DM7S高合金钢退火碳化物类型为M23C6,M6C和MC,退火碳化物颗粒的平均尺寸为0.42μm,淬火未溶碳化物类型为M6C和MC,未溶碳化物颗粒的平均尺寸为0.485μm。二次硬化硬度HRC62.8,同时具有优良的综合机械性能。其组织结构特征和性能与合金设计计算预测的结果相符。研制开发出具有超细碳化物的DM8B中合金钢。DM8B中合金钢退火碳化物由M23C6,M6C,MC三种类型组成。退火碳化物尺寸主要分布在0.2～0.5μm范围内,淬火未溶碳化物类型为M23C6,M6C和MC,平均尺寸为0.33μm,淬火未溶碳化物主要以超细碳化物为主。890℃淬火硬度为HRC65.8,240℃附近回火时,出现低温二次硬化效应,回火硬度为HRC62.4～63.8,具有较高的抗回火性。其组织结构特征和性能与合金设计计算预测的结果相符。通过合理的成分设计,研究开发的中、高合金钢热处理后碳化物达到预期的细化程度,机械性能得到全面提高,对于超细碳化物高碳合金钢的开发和应用具有指导意义。为实现高碳合金钢的合金设计完整计算提供了新思路。