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随着我国海洋工程的发展,海工用钢领域急需大量兼具高强度和耐腐蚀的紧固件螺栓钢,其中10.9级以上的高强度螺柱及其用钢大部分仍需从国外进口。本文以海工用螺栓钢为背景,采用工业化生产手段,制备出一种综合力学性能十分优良的Cr20Mn18N0.8高氮不锈钢。对高氮钢进行了固溶处理和时效处理,并对各组试样进行了显微组织分析、拉伸性能测试、耐腐蚀性能测试、冲击韧性试验和疲劳试验。针对高氮钢的强韧化机理与层错能之间的关系,优化了层错能(SFE)计算的热力学模型,并结合舍夫勒组织图和应力应变与层错能的经验公式预测高氮钢“成分—组织—层错能—力学性能”的定量关系。研究结果表明：(1)Cr20Mn18N0.8高氮钢具有优异的综合力学性能,较高的条件疲劳强度,良好的耐点蚀性能,可满足大多数海工用钢的性能要求。(2)固溶态高氮钢屈服强度达到640Mpa,抗拉强度达到970Mpa,且具有52%左右的延伸率和43%的断面收缩率,缺口敏感系数(NSR)高达1.22,具有优异的强韧性配合；在角度为4°、8°的偏斜缺口拉伸条件下,屈服强度保持在720Mpa左右,抗拉强度保持在1000Mpa,NSR保持在1.03左右；高氮钢的条件疲劳极限σ-1为330Mpa,远远高于304不锈钢236Mpa的条件疲劳极限σ-1;高氮钢在室温和低温-40℃下的冲击吸收功平均值高达311J和280J,冲击断口形貌为撕裂状等轴韧窝,属于韧性断裂,具有良好室温及低温冲击韧性。(3)时效处理态高氮钢屈服强度和抗拉强度基本等同于固溶态,延伸率平均达到48%,断面收缩率平均为36%,对比固溶态略有下降,平均缺口敏感系数(NSR)达到1.16,依然具有良好的强韧性配合；在角度为4°、8°的偏斜缺口拉伸条件下,屈服强度和抗拉强度基本等同于固溶态,NSR保持在1.15左右；时效处理态高氮钢在室温和低温-40℃下随着时效时间的增加,冲击吸收功大幅下降,在低温-40℃下更为明显,冲击断口形貌由等轴韧窝向冰糖状结晶逐渐演变；XRD衍射试验表明,经时效后拉伸的高氮钢析出相均含有Cr2N衍射峰,其中时效4h的高氮钢析出相不仅有大量的Cr2N衍射峰还有一定量的ε相衍射峰——机械孪晶,即时效处理的高氮钢在拉伸形变过程中发生了孪晶诱导塑性效应(TWIP),这也验证了为何经过时效处理后高氮钢依然具有较好的塑性。(4)化学侵泡腐蚀试验表明,在短短24h情况下316L不锈钢就出现了点蚀坑,而高氮钢直到240h仍未出现明显的腐蚀现象。在NaCl溶液下的电化学腐蚀试验中,在相同的腐蚀电流下,试验高氮钢的电位大大高于316L不锈钢,高氮钢耐腐蚀性明显高于316L不锈钢。(5)使用本文改进的热力学模型计算了文献中经XRD衍射或TEM测量的已知成分不锈钢的层错能,结果表明计算值与文献值符合较好。计算得出固溶态高氮钢的层错能为14.73mJ/m2,将此计算值代入层错能与屈服强度和对应应变的经验公式,得出屈服发生时应力应变的理论计算值和拉伸实验值基本一致。再结合固溶处理高氮钢和时效处理高氮钢的拉伸力学性能,得到了层错能对材料强韧性的影响规律,即在一定范围的层错能内,随着层错能的降低,材料的屈服强度增大,弹性应变、延伸率增大,即材料的强韧性增加。