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马氏体钢具有高强度的同时仍有良好的成形性，然而当马氏体强度继续提高时，塑韧性会下降，这大大限制了马氏体钢的应用范围，通过在马氏体钢中添加微合金元素，添加元素与钢中碳氮化物形成纳米析出相，碳化物析出相钉扎晶界产生细晶强化，在不损害强度的基础上可提高马氏体钢塑韧性。众所周知，钢中最常用的微合金化元素是Nb、V和Ti，近年来，许多学者主要致力于研究微合金Nb和V对钢性能的影响，而且取得了重大的进展，然而与Nb和V微合金化相比，Ti微合金化研究相对较少。本文以Ti-Mo微合金马氏体钢为研究对象，采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等方法，探讨轧制工艺及冷却工艺对实验钢的微观组织和力学性能的影响，以及微合金析出相的析出行为。采用Gleeble-3800试验机研究实验钢的热变形行为。计算得到实验钢形变激活能为462.8KJ/mol；在较小变形量及大的变形速率下，实验钢不易发生动态再结晶；碳化物在奥氏体区的等温析出动力学曲线(PPT)呈典型的“C”型，析出最快的“鼻点”温度大概在920℃左右，孕育时间为10s。对比再结晶区控制轧制和未再结晶区控制轧制两种轧制方式对马氏体钢组织性能影响，未再结晶区开始轧制，试样轧态组织扁平化，析出相的析出量从0.116%增加到0.128%，试样经重新再加热工艺后，析出相钉扎晶界阻止晶粒长大，有效晶粒尺寸从8.6μm细化至4.7μm，组织的细化有利于马氏体钢综合性能的提升，与再结晶区控制轧制相比，未再结晶区控制轧制的抗拉强度与之相当，但冲击韧性提高了10.5%，高达42J，说明低温轧制能提高实验钢的综合机械性能。将未再结晶区控制轧制的变形量从80%增加到92%时，钢中析出相数量增加，并且小尺寸析出相所占比例升高。小尺寸的析出相钉扎晶界的作用使得晶粒更加细化，奥氏体平均晶粒尺寸由7.8μm减小到5.4μm。实验钢的抗拉强度和屈服强度分别从1610MPa、1146MPa提高至1690MPa、1334MPa，并且在强度提高的同时，低温冲击吸收功也提高了16J，达到58J。与同强度级别传统马氏体钢相比，冲击韧性明显提高，说明增加未再结晶区轧制变形量，能优化实验钢的综合机械性能。随着加热温度的升高，实验钢的奥氏体晶粒呈增大趋势，晶粒粗化温度为1050℃。不同尺寸的奥氏体晶粒经过重新奥氏体化后均匀细化。对比轧态试样在不同再加热温度热处理工艺后的力学性能，880℃再加热温度对应的试样的抗拉强度和屈服强度分别达到1657MPa和1343MPa，韧性优于传统马氏体钢，试验钢最优热处理工艺为880℃保温5min，采用油淬冷却方式。