钢铁零件在一定温度的可释放活性氮原子的介质中保温一定时间，使其表面渗入氮原子的过程叫作钢的渗氮或氮化。自1923年，被德国人应用在钢铁上以来，渗氮工艺是目前对零件进行表面强化处理而广泛采用的技术之一。相对于常用的渗碳工艺，该工艺热处理温度低、畸变小，可明显提高零部件的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性、抗疲劳性和抗咬合能力，有效延长了零部件的使用寿命。由于这些优点，渗氮处理广泛应用在汽车、船舶、航空等机械部件的生产中。
随着工业技术的发展，对工件表面强化的要求越来越高，渗氮工艺的种类也越来越多。但由于钢中含有不同程度的铝元素，形成的非金属夹杂具有过热敏感性，使渗氮层表面脆性增大，易发生剥落或开裂，同时，为了控制渗氮层的厚度以及渗氮层的致密性，对表面氮化层金相组织生长机理进行研究，以实现对不同工艺参数的调控，并弥补目前行业内对异常氮化组织生长机理缺少大量数据的现状，具有十分重要的意义。
氮化相变机理
通常以气体、熔盐或颗粒为氮化剂，工件表面渗氮或碳氮共渗一般采用480～590℃，硬度达到68～72HRC。随着技术的发展，国内外开发出低温渗氮工艺，同时又为增加渗氮层厚度，提高渗氮效率，研究出表面纳米化的低温渗氮、循环渗氮、活性屏离子低温渗氮等。依据Fe-N相图，592℃时发生共析相变，γ-Fe（N）→α-Fe（N）+γ′-Fe（N）有奥氏体产生；650℃时发生共析相变，ε→α-Fe（N）+γ′-Fe4N在渗氮过程中，不同温度、不同氮浓度等参数下，会形成不同的相组织。
渗氮层形成时，含氮铁素体（α-Fe（N））未达到饱和，随渗氮时间延长而增厚；随活性氮原子的渗入和扩散，N原子达到饱和发生相变，形成含氮奥氏体（γ-Fe（N）），以及奥氏体的相变，α-Fe（N）→γ-Fe（N）→γ′-Fe4N；当γ′相达到过饱和状态时，形成含N量更高的ε相（Fe2-3N）。最后渗层主要由γ′相和ε相组成的化合物以及含氮铁素体组成的扩散层组成，在奥氏体渗氮过程中的渗层中还会存在由γ-Fe（N）组成的介于化合物层和扩散层之间的过渡层。碳氮共渗和渗氮的机理基本是相似的，但由于碳的加入，使表面形成的相更为复杂，目前对于Fe-N-C 三元相图，还没有明确的铁素体碳氮共渗和奥氏体碳氮共渗的温度划分点。
氮化组织特征分析
渗氮过程中不同的相是由不同的晶体结构为基体组成，不同的晶体取向会体现出不同的力学性能，因此经不同工艺参数渗氮的零部件会体现出各种优缺性能。通过调控零部件表层的相结构，是实现提高零部件表面性能的重要手段，同时，通过研究各种相的组织形态特征，也是实现对组织的判定和创新工艺的重要途径。
表面渗氮金相组织，主要形成有3类，间隙化合物（ε相、γ′相、ζ相等）、γ相的转变组织、α-Fe相中的析出组织（针状、颗粒状、脉状或网状等）。以γ′相组织为主体，分析氮化物组织的多样性和复杂性；ζ相氮浓度变化较小，不易在检验中确定。
γ相的转变组织多为氮化物中形成的异常组织，为含氮屈氏体、含氮马氏体加残余奥氏体、也有类似于贝氏体形状，多由氮化工艺的氮势不足所致，造成了表面化合物无法稳定、均匀析出；这种异常组织的发现也会为表面氮化零部件的失效提供检验依据。
α-Fe相中的析出组织为扩散层中的氮化物，产生于冷却过程，形状较为复杂，某些形状的析出物，如脉状、板条状沿晶面的有序排布，体现了该组织的择优取向，可为织构调控方案设计提供参数。
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