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本文以Fe-1.5C-1.5Cr-xAl超高碳钢为研究对象，采用理论分析与实验相结合的方法，系统研究了铝元素与热处理工艺对超高碳钢组织转变及力学性能的影响，提出了铝元素抑制先共析碳化物析出的机理，确定了Fe-1.5C-1.5Cr-xAl超高碳钢铝元素的合理添加量，并提出了Fe-1.5C-1.5Cr-2.0Al超高碳钢不经形变获得组织超细化、综合性能良好的热处理工艺。主要结论如下：(1)采用Thermo-Calc热力学计算软件系统，对Fe-1.5C-1.5Cr-xAl超高碳钢通过热力学相图计算发现：铝的添加使该超高碳钢单相奥氏体区域变窄并左移，进入液、固两相区的温度降低，同时共析转变温度提高。Fe-1.5C-1.5Cr-2.0Al超高碳钢共析转变温度区间约为40℃，共析转变开始温度约为790℃。(2)铝元素对超高碳钢组织中的先共析碳化物(网状碳化物和魏氏组织碳化物)具有显著的抑制作用。当含铝量增加到1.0％以上时，魏氏组织碳化物被抑制；接近2.0％时，网状碳化物开始断网。(3)铝元素抑制先共析碳化物析出机理为：奥氏体化后未溶碳化物增多降低了奥氏体碳含量，冷却过程中先共析碳化物减少；同时未溶碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，奥氏体晶粒细化使晶界上分布的碳化物减少；并且铝在晶界附近的偏聚对晶界碳化物的形核及长大有抑制作用。(4)随含铝量增加，珠光体片层间距减小，相变组织完全球化温度下降；含铝2.0％时，经850℃×1h等温球化后可获得完全的球化组织；含铝大于2.54％时，出现石墨化；Fe-1.5C-1.5Cr-xAl超高碳钢铝的合理添加量应取2.0％。(5)铝元素提高了超高碳钢的回火稳定性，推迟了ε-碳化物向渗碳体的转变。400℃回火组织无塑性；450℃回火组织具有超高强度、高硬度、低塑性；650℃回火组织具有高强度、高塑性、低硬度。单纯采用淬火-回火工艺难以实现Fe-1.5C-1.5Cr-2.0Al超高碳钢综合性能的提高。(6)测定了Fe-1.5C-1.5Cr-2.0Al超高碳钢等温转变开始点和马氏体转变开始点Ms，测定的300℃孕育期最短为30分钟，Ms为150℃。(7)提出了Fe-1.5C-1.5Cr-2.0Al超高碳钢不经形变获得组织超细化、综合性能良好的等温淬火热处理工艺。300℃×10h等温淬火处理，获得了含条宽约100nm下贝氏体铁素体+宽度小于100nm残余奥氏体+直径约250nm球状渗碳体的超细复相组织，其屈服强度1568MPa，抗拉强度1744MPa，总延伸率6.9％，硬度HV532。