一种可替代调质处理的中碳钢热机械处理方法，其主要是：将中碳钢圆棒加热到α+γ两相区保温一段时间，出炉进行9道次的孔型轧制，累积变形量70％。每3道次轧制完成后进行5min回炉加热过程，第9道次轧制后空冷至室温。轧制得到的钢棒显微组织由纤维状的铁素体基体和颗粒状渗碳体组成且形成了较强的丝织构。本发明所制备的中碳钢棒材的综合力学性能不仅能达到传统调质工艺处理中碳钢的性能水平，而且本发明工艺简单、生产效率高，避免了淬火和回火冷却介质对环境产生的污染，不涉及淬火应力引起的工件变形、内部微裂纹萌生和开裂，产品工艺性能和力学性能不受淬透性和回火脆性等影响，对于大截面工件，无需选用合金钢，大大降低材料成本。