奥氏体不锈钢表面处理得到的S相具有优异的综合性能，然而其形成机制及其在使用和服役条件下的稳定性缺乏研究。 首先按原定研究方案，利用三维原子探针和内耗技术研究奥氏体不锈钢形成S 相的纳米团簇形成机制。证明了S相中过饱和碳是种偏聚并没有析出，偏聚过程是可逆的（碳浓度从高到低），而且碳的偏聚和其它合金元素没有直接的关系。在奥氏体中的碳扩散系数随碳含量增加而增大的原因除了考虑合金元素对碳的扩散系数影响及扩散导致的弹性应力场的作用以外，主要原因是面缺陷（孪晶与层错）成为碳原子的快速扩散通道。纳米团簇机制的揭示有助于增加对S相形成机制的理解。 其次，研究S 相在外加应力场（等静压和拉应力）和温度场等多物理场作用下的S 相稳定规律。证明了等静压作用下碳扩散受到抑制，通过不同温度下扩散系数的关系计算其扩散激活能，结果表明受等静压作用的碳的扩散激活能大于无压力情况，且扩散激活能在碳含量较高时由于面缺陷（孪晶与层错）与碳原子的相互依存作用突然降低。在拉应力作用下S相的厚度随着拉应力的增加而增加，拉应力可以促进碳原子在S相中的扩散，同时能够形成许多纳米尺度的孪晶，从而增加表层的硬度。 第三，研究了S相在高载荷下磨损性能。奥氏体不锈钢基体在压应力与滑动切应力作用下发生了剧烈的塑性变形，甚至会发生马氏体相变；而在大载荷磨损后S相没有发生明显的塑性变形和马氏体相变，具有很好的机械与相稳定性。 最后，运用电化学充氢、慢速率拉伸与EBSD、气相氢渗透等实验系统研究了S相的氢脆行为。S相能够提高抗氢脆能力且渗碳S相的抗氢脆效果比渗氮S相更好。分析其原因是稳定的S相能抑制亚稳奥氏体不锈钢表面氢致马氏体相变，减小裂纹形核的可能性，并有效降低氢的渗透。 项目对于S相形成机制的研究达到预定目标，研究外加应力场与温度场作用下的稳定性的结果以及在特殊环境下的服役性能（重载磨损、氢脆）的探索具有理论创新和实用价值。