纳米晶体材料因其细小的晶粒尺寸(<100 nm)而展现出了独特的物理和机械性质。比如与传统的多晶材料相比,纳米晶材料拥有超高的强度/硬度,高的韧性,低的弹性模量和延展性。尽管如此,纳米晶体材料通常表现出较差的热稳定性,大大限制了其的高温应用。因此,纳米晶晶粒长大及其控制问题一直是纳米科学与技术领域研究的热点问题。本文以广泛应用的304奥氏体不锈钢为研究对象,通过高能球磨法制备304纳米晶不锈钢以及添加1 at.%Y溶质原子的304纳米晶不锈钢固溶体合金。接着在6 GPa不同温度下对样品做1 h等温退火热处理,探究热处理过程中样品微观结构及力学性能的变化,探究第二相溶质原子对晶粒的稳定化作用及热稳定性机制。研究发现仅添加1 at.%溶质原子Y便可有效的抑制晶粒长大,稳定纳米晶晶粒尺寸至1000℃(0.71 Tm)高温,而相同热处理温度下304样品的平均晶粒尺寸已达到680 nm;在1200℃(0.85 Tm)热处理后304+1 at.%Y样品的平均晶粒尺寸仅为205 nm,而304样品的晶粒尺寸已接近微米级。在较低温度下(<600℃),由于晶界的移动能力相对较弱,因此304和304+1 at.%Y样品晶粒尺寸相对纯铁稳定主要是由合金钢中溶质原子(Cr、Ni、Y等)的拖曳引起的;而在高温下(>600℃),304+1 at.%Y样品优异的热稳定性主要是Y溶质原子晶界偏聚降低了晶界能,进而提供的热力学稳定引起的。由于Y溶质原子的晶粒稳定化作用,因此在高温下304+1 at.%Y样品的硬度值均高于相同热处理温度下304样品的,且硬度随热处理温度的下降也更为缓慢。在1000℃退火热处理后,304+1 at.%Y样品的屈服强度高达2649 MPa,较304样品提高了近1倍,较粗晶304更是提高了近6倍;极限抗压强度较304样品也提高了近55%,展现出了良好的力学性能。通过以上研究,我们制备得到了具有高热稳定性、高强度的纳米晶合金钢。这就为新一代高热稳定性、高强度纳米晶合金钢的设计合成提供了新的途径,因此具有重要的理论和实用意义。