N是钢中的常见添加元素,可以提高钢的各种性能,如强度、硬度,耐腐蚀性等。本论文通过基于密度泛函理论的第一性原理方法(DFT),并结合过渡态和热力学理论,系统的讨论了Fe-N系统中关于点缺陷和面缺陷的四个问题:N扩散进入BCC Fe的原子机制;FCC铁中N和点缺陷的相互作用;N和C原子在BCC铁中晶界的吸附,扩散机制;BCC Fe中对称晶界的迁移机制以及点缺陷对晶界迁移的影响。得到的结论如下:(1)N在BCC Fe表面的最适宜吸附位置和N的覆盖率有关。一旦进入基体,N倾向于占据八面体间隙位置,而不是四面体间隙。然而,四面体间隙在扩散中扮演着过渡态的角色,是扩散过程的鞍点,决定了扩散的能垒。和C在BCC Fe中的行为相比,两者有很多类似之处,但也有区别。除了在吸附能,扩散能垒等物理量上量的区别之外,N和C从BCC Fe(100)面扩散进入亚表面的原子机制完全不同,分析表明这是由于N和亚表层Fe原子之间的排斥作用造成。(2)在FCC Fe中,自旋极化(磁性)会减小N的溶解焓和空位的形成能;N-N之间存在排斥相互作用,且作用会被自旋极化减弱;N和空位(v)之间有很强的相互吸引作用,以至于一个空位可以吸附多个N,形成点缺陷团簇(NVC)。NVC的分布依赖于N的浓度和温度。计算发现随着N浓度和温度的改变,主要占据数的NVC是vN2,vN3,vN4和vN5。N的浓度会影响空位浓度,增大N的浓度可增大空位的浓度达8个数量级,但提高N浓度最终会使空位浓度饱和,这和Kirchheilm的热力学理论预测一致。(3)C和N会对晶界(GB)结构和结合能产生不同的影响。C原子会将构成BCC FeΣ5<100>(210)GB的两个晶粒拉近,而N原子会将它们推开,但分析结合能大小却发现C原子会弱化Σ5晶界,而N会强化Σ5晶界。C和N原子都会将构成Σ3<100>(112)GB的两个晶粒推开,且使其脆化。间隙原子与晶界的结合能可以分解为化学能和机械能两部分。间隙原子和Σ5晶界Fe原子之间形成的化学键的化学能是决定其结合能的关键,而间隙原子偏聚在Σ3晶界上则会引起很大的机械能。Σ5晶界的间隙比较大,可以容纳多个间隙原子,但应用第一性原理热力学方法,发现在本文所考虑的间隙原子浓度下,Σ5晶界只可能含有一个C或者N原子,否则会形成化合物。大角晶界可以看作由胞结构构成,间隙原子在晶界胞之间的跳跃实现了间隙原子在晶界中的扩散。计算发现C和N在Σ5晶界中的扩散机制不同。和体扩散过程相比,Σ5晶界会加速N而减弱C的扩散。C和N原子在Σ3晶界中的扩散机制基本相同,且非常类似于体扩散机制。和体扩散对比,Σ3晶界严重阻碍了C和N的扩散。(4)BCC FeΣ5<100>(210)和Σ5<100>(310)对称晶界的晶界能相差不大,但理想迁移能垒却相差很大。Σ5(310)相对来说更加稳定。间隙原子会大大提高晶界的迁移能垒,而空位对晶界迁移的影响则相对复杂。空位的参与会大大减小Σ5(310)的迁移能垒,但计算没有发现空位会减小Σ5(210)的迁移能垒。文中提出了描述晶界迁移的形核机制:晶界位错环模型(GBDL)。通过GBDL模型,计算的得到的迁移能垒可以用于预测晶界迁移趋势。