钢铁作为日常生活中不可或缺的材料，渗透进了生产、生活的各个方面，已经成为现代化工业生产中应用最广泛的材料。近年来，随着对钢铁材料性能要求的不断增长，原始冶金技术已不能满足方方面面对钢铁材料的要求。因而涌现出了许多改变钢铁性能的方法，其中以对钢铁表面改性尤为受人关注。现在最普通的方法就是在钢铁的表面形成一层致密的氮化层，这样可以很好的改变钢铁的表面硬度和耐磨性。制备氮化层的方法有很多，但它们在工业应用上存在着不同的局限性。于是，提出了一种新的表面氮化方法——激光和等离子体混合氮化方法。 为使氮等离子体能够与激光很好的匹配用于材料氮化研究，自行研制了两种小功率等离子炬用于实验，并且从伏安特性，流量与放电电压电流的关系，束流强度，火焰形状，振荡频率，离子数密度以及发射光谱等方面对其性能进行了研究。 利用第二种等离子炬与激光混合，在大气气氛中对铁基底进行了氮化处理，并利用XRD、EPM、STM、SEM、读数显微镜、洛氏硬度计和振动样品磁强计等手段对制备的样品进行了测试。通过对测试结果分析表明，在大气气氛下利用激光和等离子体混合方法可以制备氮化铁，并且经过氮化后样品的表面硬度，饱和磁化强度等物理性质得到了增强。这种新的制备氮化铁的方法不仅可以降低单一激光氮化方法所需激光功率密度，有效的抑制样品氧化，而且它的氮化效果优于激光与加热氮气混合氮化方法处理材料表面的氮化效果。论文中对激光功率密度、扫描速度以及氮等离子体流量等关键工艺参数对氮化效果的影响进行了研究和讨论。在合适的实验条件范围内，随着激光功率的增高，样品表面形成的氮化物含量线性增加，氮化层厚度增大，表面粗糙程度也有所增加；随着扫描速度的增加，氮化物含量二次方递减，氮化深度减小，但是扫描速度对样品表面的粗糙程度影响并不明显；氮等离子体流量对氮化效果也有明显的影响，当氮等离子体的流量＜0.5m3/h时，在用混合方法处理后，样品表面不能得到明显的氮化效果；只有当等离子体流量＞0.5m3/h后才有较好的氮化效果，然后随着流量的增加氮化物含量不断增加，当流量为0.9m3/h时，氮化达到饱和，氮化物含量不再增加。但是对氮化深度来说氮等离子体流量的影响不明显。此外采用该混合方法也对钛的氮化进行了一些研究，同样在金属钛表面实现了氮化，并发现随着激光功率密度的增加氮化物含量增加，在相同条件下该方法氮化效果优于激光和加热氮气的氮化方法。 为了了解激光和等离子体混合方法制备的氮化铁样品的高温时效性，对制备的氮化铁样品在200℃-1000℃不同的温度下进行四小时退火实验。退火后，利用XRD、EPM等检测手段对样品进行了测试分析发现，当退火温度≤800℃时，样品中氮化物含量还能达到退火前的36％以上，只有当退火温度达到1000℃时大部分铁氮化合物才被分解，其热稳定性优于激光与加热氮气方法制得的铁氮化合物。 在制备出铁氮化合物后，采用了蒙特卡罗方法对氮化过程进行了计算机模拟。模拟建立在两体碰撞模型的基础上，又根据激光和等离子混合方法的特殊性，引入了温度因子和能量项。利用C语言按照模型描述编写了程序，使用该程序进行了蒙特卡罗模拟计算。在计算过程中通过改变激光功率密度，扫描速度，入射能量，入射角度等参数，获得了不同条件下氮元素在靶材铁中的分布情况，并与实验数据进行比较，两者结果基本一致。 另外，由于经过激光和等离子混合氮化方法处理后的铁样品的磁性并没有受到明显影响甚至有所增强，这表明Fe-N化合物的引入可能对磁性有利，为了探讨这一问题，本论文利用蒙特卡罗方法在Fe4N晶格结构上建立了3/2和1混自旋Ising模型对Fe4N的磁学性质进行了一些计算。Fe4N的扩展面心立方晶格结构被分成一个由角位置Fe原子组成简立方格子和三个由面心位置Fe原子组成的简立方格子。分别计算了磁矩、内能、比热曲线，画出了相图。根据计算结果，研究和讨论了不同交换作用尤其是N原子作用对Fe4N相图和居里转变温度影响。 最后，本文结合国家自然科学基金项目的研究工作，改进了晶粒的统计方法，基于数学形态学编写了VB程序，并利用程序对取向硅钢的一些试样进行了晶粒统计获得了满意的结果。