渗氮处理可显著提高钢铁材料的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度等,因此在工业上有着广泛的应用。渗氮层通常由化合物层和扩散层组成,由ε-Fe2³N和γ′-Fe₄N组成的化合物层具有很高的硬度,能显著提高渗氮件的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。相对化合物层而言,扩散层的硬度较低,但其韧性较好且厚度远大于化合物层,因此,扩散层的微观组织及性能对整个渗氮层的性能有很大的影响。扩散层的微观组织受渗氮工艺、冷却速度及后续热处理等因素的影响。目前,关于扩散层微观组织的调控研究还没有深入开展。本文以厚度为1mm的工业纯铁为原材料,纯铁试样经过不同工艺的气体渗氮后转变成完成渗透的渗氮层样品。以渗氮层样品为研究对象,采用多种表征手段系统地研究了渗氮时间、渗氮温度、不同冷却速度及后续人工时效对渗氮层组织和力学性能的影响,同时探讨了化合物层对整个渗氮层拉伸疲劳性能的影响。主要得到以下结论:（1）580℃渗氮后的渗氮层只有化合物层和扩散层,而630℃渗氮后在化合物层和扩散层之间存在过渡层,该过渡层在渗氮温度下处于奥氏体状态。（2）化合物层由ε-Fe2³N和γ′-Fe₄N组成,高温气体渗氮会降低氮势,有利于化合物层中γ′-Fe₄N的形成,但最终趋势是形成ε-Fe2³N。渗氮的温度越高、时间越长,化合物层就越厚。渗氮层的表面硬度随着渗氮时间的延长先升高后降低,渗氮层的拉伸强度随着渗氮时间的延长而逐渐增加,但其塑性越来越差。（3）渗氮后不同的冷却速度对扩散层的组织有很大的影响,空冷和炉冷的冷却速度较慢,从而使样品扩散层中析出α′′-Fe₁₆N₂和γ′-Fe₄N;冷却速度较快的油淬和水淬抑制了扩散层中析出相的析出,因此油淬和水淬样品的扩散层中未见α′′-Fe₁₆N₂和γ′-Fe₄N。但是水淬和油淬试样有明显的自然时效强化现象,且在自然时效过程中,冷却速度越快,自然时效后扩散层的硬度就越高;从拉伸性能来看,冷却速度的增加有利于提高渗氮层的强度,但降低了其延伸率,综合考虑,油淬样品具有高强度和良好的延伸率。（4）人工时效可以控制油淬试样扩散层中析出相的种类和数量,低温时效的析出相主要为α′′-Fe₁₆N₂,较高温度时效的析出相主要为γ′-Fe₄N。细小弥散α′′-Fe₁₆N₂的析出有利于渗氮层的强化,而γ′-Fe₄N的析出更有利于提高渗氮层的延伸率。（5）化合物层的拉伸性能对整个渗氮层的拉伸性能影响不大,但是却显著降低渗氮层的疲劳性能,所以扩散层是整个渗氮层疲劳性能提高的主要因素。