奥氏体不锈钢表面改性是表面工程领域中的研究热点之一。奥氏体不锈钢低温化学热处理可获得无铬化物析出的单相改性层，使材料表面兼具优异的耐磨性和耐蚀性。提高处理温度或延长处理时间时，改性层中会析出Cr的化合物，导致了材料表面耐蚀性的下降。当前工艺技术很难制备较厚的单相改性层。单相层的相结构为间隙超饱和的膨胀奥氏体，也称为S相。S相的优异性能得到了广泛的研究，但其晶体学和形成机制仍未获得解决。本论文将低温稀土氮碳共渗技术应用于奥氏体不锈钢AISI304和AISI316的表面改性，以期利用稀土元素的催渗和微合金化作用提高改性层的厚度和改善韧性。利用第一性原理计算的方法对γ-Fe中合金原子的交互作用进行了研究，进而从原子和电子尺度对S相的晶体结构和形成机制进行表征；同时对共渗层中析出相的晶体结构，稳定性，弹性和电子性质等进行了研究，以揭示析出相对改性层性能的影响。AISI304和AISI316钢在430C和460C稀土氮碳共渗时，较佳的稀土添加量分别为0.05L/min和0.1L/min，稀土添加提高了氮碳共渗的速度。430C稀土氮碳共渗动力学中，共渗层厚度随时间延长而增厚；相同共渗工艺条件下，AISI304钢比AISI316钢的共渗层厚，且渗层中析出相更多；短时间共渗（≤8h），共渗层为单一SN相（含N的S相）；延长处理时间，共渗层中CrN析出，发生了SN相向ε-Fe2-3N和γ′-Fe4N的转变。低温稀土氮碳共渗后，渗层显微硬度较基体提高4倍以上，最高可达1790HV；磨损机制由未处理态的严重粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损转变为轻微的粘着磨损和氧化疲劳磨损，磨损失重显著降低，耐磨性能提高。AISI316钢430C稀土氮碳共渗8h后，自腐蚀电位由未处理态的-143mv提高至-28mv，且钝化区扩大，耐蚀性提高。在微氮稀土渗碳中：增加乙醇流量可以获得更厚的渗层和减少渗层内的CrN析出；提高共渗温度或延长处理时间均诱发了共渗层内的马氏体相变和CrN析出；稀土的添加可以起到催渗的效果，但也加速了渗层内的马氏体相变和CrN析出。AISI316钢的460oC共渗层的相结构为S相，少量α′-Fe和CrN，显微组织为纳米级的条状晶粒。AISI304钢的共渗层分为两层：外层的马氏体相变层和里层的SC相（含C的S相）层。马氏体相变机制为应力诱发马氏体转变，S相分解为MX相和α′，S→α′+MX。应力来源为SC相内间隙原子的超饱和固溶和SC相与类MX相的晶格错配。在γ-Fe中，金属原子对Cr-Cr、Mo-Mo、Ti-Ti和Cr-Mo的第二近邻构型为最稳定分布，Cr-Ni的第一近邻构型为最稳定分布，Ni-Ni和Mn-Mn倾向于随机分布。间隙原子N-N、C-C和N-C的交互作用是浓度相关的：间隙原子浓度为20.wt%时，第二近邻构型为最稳定的分布方式；间隙原子浓度为11.1wt%时，原子间距离增加时交互作用由排斥变为吸引；在间隙原子浓度为5.9wt%，N-N的第一和第二近邻构型分别为强的和弱的排斥作用，而C-C第一和第二近邻构型分别为弱的和强的排斥作用，N-C之间均为强的排斥作用。在γ-Fe中，Cr、Mo和Ni与第一近邻的N或C之间均为排斥作用；Mn对第一近邻的N/C具有吸引作用；Ti对第一近邻的N为吸引作用，与第一近邻C为排除作用。SN相不具有理想的晶体结构，晶格中金属原子保持了准面心立方结构，N占据了Cr，Mo等原子的最近邻八面体间隙并形成短程有序。SN相是由于在低温条件下，合金元素的扩散被抑制，N扩散进入奥氏体的晶格中占据稳定或亚稳占位而形成的间隙超饱和的固溶体。N在不同间隙的占据稳定性的差异导致了N的化学势的不同，进而为N的扩散提供了驱动力。在SN相的生长过程中：N的稳定占位形成了SN相；亚稳占位和不稳定占位是N的扩散通道；SN层的生长需要界面位置N的堆积，且受N的反应扩散控制。SC相也不具有理想的晶体结构，金属原子为准面心立方结构，C占据部分完全由Fe构成八面体间隙，而不易于占据合金原子的最近邻间隙，而形成短程有序。在SC相和奥氏体不锈钢的晶格中，C在不同间隙位置的占位稳定性的不同导致了C的化学势差异，提供了C的扩散驱动力。与奥氏体不锈钢相比，C在SC相中有更高的扩散速率，形成了高C浓度的SC相层。在奥氏体不锈钢中，C的更高的占位稳定性导致了SC相中C向奥氏体不锈钢中的扩散和SC相层的生长。SC相层的生长受C的纯扩散控制。氮化物稳定性排序为：η-Fe2N>ε-Fe2N>ζ-Fe2N>ε-Fe3N>γ′-Fe4N>ZB-FeN> α"-Fe16N2>RS-FeN。密排六方ε-Fe6CxNy相中，间隙原子之间为排斥作用。间隙原子的稳定排布方式，增强了p-d杂化强度，降低了费米面附件的态密度，提高了ε-Fe6CxNy相的剪切模量。CrN中部分Cr原子可以被Fe、Mo、Ni、Mn、Ti等取代，形成稳定的三元合金Cr0.75Me0.25N；在Cr2N的晶格中，N原子优先占据1a和2d阵点，其次是2c阵点，最后是1b位置；N原子的稳定占位方式使得Cr2N具有更高的弹性模量和剪切模量。