奥氏体不锈钢经等离子体基低能离子注渗工艺处理后可以形成氮超高过饱和（10-35 at.%）渗氮层。该渗氮层是非均匀的亚稳单相,耐磨抗蚀性能远优于奥氏体不锈钢,在核工业中具有广阔的应用前景。然而,与渗氮层优异性能相对的是,渗氮层晶体结构存在争议,缺乏原子尺度结构模型,制约了对渗氮层相稳定性和结构稳定性的认识,从而限制了这项技术在核工业关键零部件中的应用。本论文从奥氏体不锈钢过饱和渗氮层显微组织结构入手研究,定量表征了奥氏体不锈钢过饱和渗氮层组织结构、缺陷结构、晶体结构和短程有序结构。在此基础上,提出了奥氏体不锈钢过饱和渗氮层晶体结构模型以及短程有序结构形成规则,构建了渗氮层可能的原子结构模型。在此基础上,从原子尺度探讨了渗氮层的相稳定性和结构稳定性。论文主要研究结果总结如下:1.奥氏体不锈钢过饱和渗氮层组织结构和缺陷结构的研究表明,渗氮层中不仅包括孤立层错和孪晶特征,还包括由高密度层错构成的层错簇特征。该层错簇由一系列{111}面上的层错构成,且每两个原子面发生一次层错。此外,研究结果还表明,渗氮过程中既伴随晶粒旋转,又存在晶粒细化。2.结合缺陷结构和晶体结构的表征结果,提出了含层错簇的过饱和渗氮层晶体结构模型。渗氮层具有面心立方结构,其中包含孤立层错、层错簇和孪晶特征。由于基体约束,渗氮层承受较大的平面应力,且具有（111）择优取向。孤立层错、层错簇和孪晶既会造成XRD峰位移动、峰形的宽化和非对称,同时又会导致SAED中出现漫散射花样。然而,孤立层错,层错簇和孪晶对XRD谱图和SAED花样的影响不尽相同。仅包含以上任一种缺陷结构均无法完全再现过饱和渗氮层XRD谱图和SAED花样。应用含层错簇的晶体结构模型拟合渗氮层的XRD谱图时,发现等离子基低能离子注渗工艺制备的过饱和渗氮层中包含10-20%的层错,其中50-70%的层错是由高密度层错构成的层错簇。该晶体结构模型在工艺相近基体材料类似的样品中也同样适用。3.奥氏体不锈钢过饱和渗氮层短程有序结构的表征结果表明短程有序结构在层错处和无层错处均有分布,并且无层错处的短程有序结构更为明显。短程有序结构的第一性原理计算表明渗氮层中短程有序结构是以Fe6-nCrnN八面体团簇为结构单元相互组合形成的。能量上倾向的Fe6-nCrnN八面体团簇通常包含更多的Cr原子数且Cr原子关于中心N原子对称分布。这主要是由团簇内部的电荷转移以及库仑作用所引起的。八面体团簇组合时需要遵循以下规则:尽可能形成ESP值高的组合结构;Cr原子占据组合结构的公共位置;N原子占据的原子面具有不同方向的磁矩。过饱和渗氮层无层错区域可以看作由FCC结构Fe原子及弥散在其中符合规则的短程有序结构所构成。4.过饱和渗氮层亚稳相的稳定化主要与高浓度的Cr、N原子形成短程有序结构、温度以及残余应力的释放有关。温度和残余应力对亚稳相的稳定是通过二者协同作用所完成。高浓度的Cr、N原子形成短程有序结构对亚稳相的稳定化作用强于温度和残余应力的协同作用。因此过饱和渗氮层亚稳相的稳定化机制是一种成分驱动的稳定化机制。在结构稳定性方面,氮与空位相互作用形成短程有序结构提升了渗氮层的结构稳定性。