近年来,在极低温条件下使用的工业装备越来越多,例如大型超低温BOG压缩机的工作温度一般在-160℃甚至更低,因而对超低温铸造材料有着较大的需求。通常情况下,以铁素体为基体的球墨铸铁材料能够承受的温度最低在-60℃左右,无法满足更低温度的应用需求。高镍奥氏体球墨铸铁随着温度的降低没有韧-脆转变现象,拥有着良好的低温力学性能,因而在超低温(-100℃以下)工业制造领域有着广泛的应用前景。目前,针对高镍奥氏体球墨铸铁的相关研究主要集中在高温性能方面,对于超低温奥氏体球墨铸铁的研究极少,对其微观组织、冲击断裂特征、示波冲击断裂过程以及冲击裂纹的萌生和亚稳扩展规律并未见报道,因此本课题开展了超低温奥氏体球墨铸铁微观组织与低温冲击断裂行为的研究。对超低温奥氏体球墨铸铁微观组织及其对摩擦磨损行为的研究表明:超低温奥氏体球墨铸铁的微观组织主要由奥氏体、石墨球以及分布在晶界处的碳化物构成,材料中的锰元素和铬元素会偏析分布至材料基体中的奥氏体晶界处形成M23C6(M=Fe、Mn、Cr)型碳化物,其微观硬度可达到1200HV以上,远高于奥氏体基体硬度值,因而使得材料的宏观硬度得以提升。铬元素有着比锰元素更强的碳化物形成能力,对材料的摩擦磨损性能影响更大。通过对不同铬元素含量下的材料摩擦磨损后的形貌进行分析发现,该材料表现为磨粒磨损机制,其中铬元素促进形成的晶界碳化物作为硬质颗粒使得材料的摩擦磨损性能显著提高。采用低温示波冲击手段,针对不同合金(镍、锰和铬)元素下的超低温奥氏体球墨铸铁低温冲击性能进行研究,结果表明:随着温度的降低,不同合金元素下的超低温奥氏体球墨铸铁冲击性能均存在着相似的特征,即呈现先上升后下降的变化趋势,且镍元素含量的变化对低温冲击性能存在着正相关的影响,而过多的锰元素和铬元素加入会导致低温冲击性能恶化。采用扫描电子显微镜对冲击断口形貌进行分析发现:材料在室温至-193℃的温度区间内均呈现了以石墨球或石墨球凹坑作为韧窝中心的韧性断裂形貌特征,并且其冲击断口中石墨球数量与冲击性能有着直接的因果关系,即石墨球越多则冲击性能越好;碳化物数量的改变在室温下对材料的冲击性能影响并不明显,而随着温度的降低其影响呈现增大的趋势,在-193℃的超低温条件下会导致冲击断口中出现纵向微裂纹,严重破坏材料冲击性能。在对超低温奥氏体球墨铸铁低温冲击性能规律的研究基础上,对不同温度下的示波冲击曲线进行了深入分析,进一步地揭示了材料的冲击断裂过程,结果表明:以斜率法与柔度变化率法相结合的方式对示波冲击曲线进行分段分析的方法,可以有效的定量表述材料的低温冲击断裂过程;其中,冲击裂纹的高载荷亚稳扩展能量的比重可以达到冲击总能量的60%以上,且两者的变化趋势相一致,即随温度的降低呈现先上升后下降的趋势,因而高载荷亚稳扩展能量是决定低温冲击性能的主要因素;而该材料的低温冲击性能之所以呈现先上升后下降的趋势(在-80℃时为极大值),是因为在室温至-80℃时,高载荷亚稳扩展段的平均载荷对低温冲击性能起到了主导作用,而当温度继续降低时,高载荷亚稳扩展段的位移则成为了主导因素,研究还发现,即便镍元素含量变化这一规律仍然存在。同时,采用三维激光共聚焦显微镜对冲击断口的几何形貌进行定量分析,对不同温度下高载荷亚稳扩展段的表面粗糙度指数进行统计,验证了上述分析结论的正确性。由于超低温奥氏体球墨铸铁实际示波冲击曲线中高载荷亚稳扩展段的能量正好对应着冲击裂纹萌生与亚稳扩展过程中所吸收的能量,因此进一步研究了冲击裂纹萌生与亚稳扩展过程,结果表明:随着温度的降低,超低温奥氏体球墨铸铁有着更好的抵抗冲击裂纹萌生的能力;而前期抵抗冲击裂纹亚稳扩展的能力受到温度的影响,后期则受到温度和材料中镍元素含量变化的共同影响;材料基体中的石墨球(特别是相邻的石墨球)和位于晶界处的碳化物是影响冲击裂纹亚稳扩展路径的最主要因素,而温度的降低和材料中碳化物数量的增加都会加剧材料的脆性断裂倾向;同时,采用Schindler方法对不同镍元素含量的超低温奥氏体球墨铸铁在动态载荷下的延性断裂韧度JBl0.2进行了计算后发现,随着温度的降低,材料在动态载荷下的延性断裂韧度呈现持续升高的趋势,而当温度达到-80℃以下时,这一趋势会发生明显的放缓。