合金化的奥氏体不锈钢以其良好的高温组织稳定性和优异的力学性能，广泛应用于石油、化工、冶金等领域，具有广阔的市场前景。本文通过改变钢中Mo、Si、Mn和Nb的含量，设计四因子三水平的正交试验，分析四种合金元素对其组织及硬度的影响规律和显著性，获得成分优化方案，并以影响显著的元素做单因子实验，分析其对组织及硬度的变化规律;用优化成分，进行熔炼及制备试块，检测并分析其微观组织与力学性能的相关性。研究结果表明:　　Mo和Nb相比于Mn和Si能够有效地细化二次枝晶臂间距和减少碳化物的析出量，Mo细化二次枝晶臂间距效果明显，随着Mo含量的增加，二次枝晶臂间距越来越小;Nb减少碳化物析出数量效果明显，随着Nb含量的增加，碳化物析出数量呈现先减小后增大的趋势。而Mn和Si相比于Mo和Nb能够有效的减小碳化物长度，尤以Mn影响最为显著。当Mn含量下降时，碳化物长度随之下降，且降幅较大。此外，Mn和Mo对合金的硬度有明显影响作用。通过显著性分析得出四元素对奥氏体不锈钢组织与硬度影响次序为Nb＞Mn＞Mo＞Si。　　随着Nb含量的增大，奥氏体枝晶形态由粗大枝晶→等轴晶→细小枝晶→粗大枝晶转变;碳化物由粗大长条状→细小短棒状/点块状→连续网状形态转变;相应的，合金硬度则呈现出先增大后减小的趋势，硬度值在125～175HB之间。　　在常规凝固条件下，铸态组织较粗大，碳化物大部分呈网状连续分布于晶界，晶内分布有少量尺寸较大、形态不规则的碳化物。热处理后，晶粒细化，碳化物网状分布趋势有所消除，并在基体上析出较多细小的点球状碳化物颗粒，提高了材料的抗拉强度、屈服强度和硬度，但伸长率下降。铸态下的断口形貌主要以韧窝为主，显示出韧性断裂的特点，热处理之后的断口形貌较复杂，分布有较多韧窝，同时伴还有较多河流花样，属于混合断裂。