近日，工学院研究团队在材料科学领域期刊《Materials & Design》（中科院2区）发表了题为“Influence of Nitriding Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of AISI 422 Martensitic Stainless Steel”的研究论文。该研究结合实验表征和计算模拟，系统探究了一种用于汽轮机叶片、高温螺栓螺母等高温机械部件的特种钢（AISI 422超级马氏体不锈钢）在表面强化处理（渗氮）过程中的核心问题，系统研究了AISI 422马氏体不锈钢等离子渗氮过程中的析出相演化规律与残余应力形成机制，建立了热力学驱动的渗氮后析出相演化相场模型，为优化改进工业生产工艺提供依据。

AISI 422马氏体不锈钢因其优异的强韧性被广泛应用于涡轮叶片和高温紧固件，但其表面在重负荷和反复使用下容易磨损。工业上普遍采用渗氮技术来提高其表面硬度和耐磨性。然而，现有工艺面临两大难题：一是难以精确控制渗氮层中起强化作用的关键沉淀CrN的大小和分布规律；二是处理后会形成不利的内部应力分布（表面受拉，稍深处受压）和有害的表面脉状结构，这反而降低了材料的抗疲劳性能，导致零件在反复受力下容易过早开裂，限制了其在工业场景中的广泛应用。

针对上述问题，研究团队通过聚焦离子束刻蚀技术在渗氮层不同深度分别取样观察，结合几何相位分析方法量化沉淀相周围应变强度，研究发现晶格失配诱导的共格应变是产生-550 MPa峰值压应力（150 μm深度）的主因。其次，基于相场方法建立了一种计算模拟模型，成功模拟预测了沉淀相CrN从细针状长成粗棒状的整个过程，模拟结果与实际实验结果高度吻合。最后研究发现表面γ'-Fe₄N相收缩与脉状结构中N₂微孔洞共同导致应力由压转拉，最终形成特征性“鞍形”应力分布。该成果通过揭示强化颗粒尺寸调控和应力分布优化的内在关联，为不锈钢渗氮工艺的硬度调控和应力优化提供机制依据。

图1 渗氮后表面渗氮层形成梯度微观结构

图2 模拟结果与实验结果对比

工学院硕士研究生席正中为论文第一作者，张宏业副教授为唯一通讯作者，北京林业大学为第一完成单位，中国航发北京航空材料研究院的科研人员共同参与了研究工作。