FeCrNi奥氏体不锈钢在230-450℃低温渗氮,可形成高氮（>18 at.%）过饱和面心立方（f.c.c.）相,常称为氮膨胀奥氏体（N-expanded austenite）相的改性层,该层具有优异的耐磨抗蚀抗疲劳复合性能,但是对其相结构研究的结论不统一、甚至彼此矛盾。为了研究氮膨胀奥氏体相的结构本质,分别选取Schaeffler图中Ni成分固定、Cr成分固定和Fe成分基本固定的三个系列共20种FeCrNi奥氏体合金及参比的AISI 304L奥氏体不锈钢,实验研究了等离子体基低能氮离子注入的低温渗氮改性层成分、组织和相结构。采用基于氮占据八面体间隙的准晶胞模型,计算了系列合金氮改性层膨胀奥氏体相的成分、晶格常数,以及不锈钢氮膨胀奥氏体相的近邻原子结构。计算结果与实验分析检测结果一致,揭示了 FeCrNi合金及钢高氮过饱和的膨胀奥氏体相结构特征及其形成规律。采用等离子体基低能氮离子注入技术在380℃低温渗氮FeCrNi系列奥氏体合金样品,渗氮时间4h。获得的低温渗氮改性层,分别采用光镜（OM）、电子探针显微分析（EPMA）、X射线衍射（XRD）、掠入射X射线衍射（GIXRD）和高分辨透射电镜（HRTEM）进行成分和结构表征,确定了所有合金的氮改性层均由内外双层构成,外层为膨胀量较大且N具有类Fe4N长程有序排布的f.c.c.结构,确定为γ’N相,内层为膨胀量较小且只包含Cr-N短程有序排布的f.c.c.结构,即通常报道的γN相。随着合金中Cr含量的增加,两种相的N浓度和晶格常数都随之增加,但是γN相的增加速率明显大于γ’N相,另外,两种相的N浓度范围和衍射峰宽度增大,两个作用共同导致两种相的N浓度和晶格常数逐渐接近,并最终合并。合金中Cr含量低于12 wt.%时,氮改性层的横截面形貌和N浓度-深度分布均表现出双层结构特点,XRD结果显示出两套完整的晶格膨胀量不同的f.c.c.衍射峰。当Cr含量大于12wt.%时,氮改性层的横截面形貌和N浓度-深度分布均表现为连续的单层结构,XRD显示出一套宽化的非对称fc.c.衍射峰。根据XRD结果的同构性演变规律推定,宽化的衍射峰由γ’N和γN相的衍射峰合并形成,根据透射电镜选区电子衍射及高分辨观察结果进一步证实,高Cr含量合金的氮改性层具有外层N有序γ’N相和内层N无序γN相的双层结构。分别建立的γ’N和γN相的简化模型和准晶胞模型,考虑了γN相中只存在Cr-N相互作用,γ’N相中同时存在类Fe4N相互作用和Cr-N相互作用的条件,部分被Cr原子捕获的短程有序的N原子同时处于类Fe4N长程有序位置,即位置共享状态。简化模型基于一对一的Cr-N相互作用假设,描述了Cr-N短程有序与类Fe4N长程有序位置共享引起γ’N相和γN相中N浓度和晶格常数接近的演变过程,计算的晶格常数变化规律与实验结果基本符合。准晶胞模型进一步考虑了多对一的强和弱Cr-N相互作用、N-N排斥作用,以及类Fe4N的Fe-N相互作用的条件,计算了不同Cr含量合金中γ’N和γN相的N浓度范围,并描述了随Cr含量增大,YN相氮浓度增加速率大于γ’N相,以及两种相N浓度范围变宽的演变过程,准晶胞模型的计算结果与实验结果相符。且计算的膨胀奥氏体相平均N原子配位数与文献报道的AISI 316奥氏体不锈钢氮膨胀奥氏体扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）谱和Mossbauer谱的分析结果一致,进一步证实了准晶胞模型的合理性。因此,FeCrNi系奥氏体合金的低温渗氮实验结果和准晶胞模型的计算结果揭示了γN相和γ’N相的形成规律和结构本质,解决了先前报道中氮膨胀奥氏体相原子结构是否存在有序状态的争议,为后续γN相和γ’N相的进一步研究及其作用提供了实验和理论基础。