大型湿磨机磨球是矿山研磨设备中的重要耗材之一,耐磨性差,消耗量大,寻找性能优异的材料应用于湿磨机磨球势在必行。含碳化物等温淬火球墨铸铁（Carbidic Austempered Ductile Iron,简称CADI）用做矿山湿磨中小型球磨机磨球,显现出磨耗少、破碎率低、节电和噪音小等优势。但CADI晶界处粗大的网状碳化物严重破坏了基体连续性,加之内部组织复杂,组相性质对改善性能的机理尚不明确,腐蚀磨损和冲击疲劳失效机理缺乏深入研究,导致CADI难以直接用于生产大型湿磨机磨球。针对上述问题,在国家自然科学基金支持下,本文首先基于第一性原理从原子尺度分析了微合金化元素对M3C型碳化物的异质形核机制和吸附机制,预测了微合金化处理调控CADI中共晶碳化物尺寸、形态、分布的可能性。然后结合实验对微合金化处理的效果进行验证。模拟结果表明,微合金化元素Nb、Ti加入含碳化物球墨铸铁后,可以优先析出与M3C型共晶碳化物错配度低,界面稳定的Nb C和Ti C颗粒,作为M3C晶核核心,破坏碳化物网状结构。实验结果显示,微合金化处理破坏了碳化物网状结构,提高了CADI的冲击韧性和耐磨性。通过建模计算和实验相结合的方法,分析了含碳化物球墨铸铁奥氏体均质化过程和等温转变过程热力学和动力学规律,获得碳化物溶解方程:S/S0=1-0.14921√可用于预测850°C时不同保温时间t碳化物溶解量;方程ln（1-S/S0）=14.2438-18267.3365/T可用于预测保温时间为7200 s时,不同奥氏体化温度T碳化物溶解量。以热力学和动力学研究为基础,分析了奥氏体化温度和等温淬火温度对CADI组织和性能的影响规律,为控温处理调控CADI基体提供了实验依据。研究发现随着奥氏体化温度升高,M3C型碳化物数量逐渐减少,残余奥氏体数量逐渐增多,残余奥氏体碳含量在900°C以上奥氏体化后基本不变。随着等温转变温度增加,贝氏体尺寸增大,残余奥氏体数量增多,奥氏体含碳量升高。当等温温度高于400°C时,针状铁素体优先在石墨球和晶粒内部形核,而低于400°C时,针状铁素体优先在石墨球和碳化物周围形核,并从热力学和动力学角度解释了这一特殊的形核现象。CADI冲击韧性随奥氏体化温度和等温淬火温度升高而增大。900°C奥氏体化120 min+300°C等温120 min后,CADI的综合力学性能最优。在此基础上提出了超高温预处理+等温淬火处理（Super-high temperature pretreatment and Austempering treatment）,简称“S＆A处理”的新型热处理工艺,减少晶界共晶碳化物,增加晶内碳化物,最大限度提高了含碳化物球墨铸铁冲击韧性,获得了含Fe3C沉淀颗粒和超细铁素体（长度约为1～3μm,厚度约为50±10nm）的新型CADI。S＆A处理后CADI冲击韧性不仅较普通CADI韧性增加了112%,并在高应力磨损（300 N以上）条件下,表现出优异耐磨性,为进一步提高CADI韧性和耐磨性提供了新思路。最后,通过分析腐蚀磨损和冲击疲劳后,试样表面和横截面的变化规律,揭示了CADI腐蚀磨损和冲击疲劳失效机理。CADI的腐蚀磨损失效机理是,基体率先腐蚀造成碳化物在裸露后出现断裂和剥落,最终引起了CADI腐蚀磨损失效。CADI的冲击疲劳失效机理是,石墨球变形和碳化物断裂产生了大量冲击疲劳裂纹,导致了CADI沿晶断裂。此外,冲击疲劳后晶粒没有明显择优取向,但晶粒有明显变细趋势且低角度晶界增多。结合CADI腐蚀磨损机理,提出了采用添加Cu元素方法降低石墨与基体间的电位差,大幅度提高了CADI的耐蚀性和耐腐蚀磨损性。