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作为衡量航空发动机和工业燃气机发展水平的一个重要标志，耐热合金的发展水平引起了世界各国的高度重视，各国纷纷投入大量的人力和物力对其进行研究和开发。作为结构材料而被使用的耐热合金，要求在高温下具有良好的抗氧化性能和较高的高温强度。最重要的力学指标就是强度与韧性。界面是材料物理、化学性质发生空间突变的二维区域，在界面上容易出现杂质或溶质原子的偏聚，位错、裂纹、孔洞，夹杂往往偏聚于界面，最易产生应力集中，形成界面裂纹等界面缺陷，直接影响到材料的力学、物理、化学、电化学性能。因此，开展界面结构特征与材料腐蚀性能、力学性能关联性的研究具有重要的理论意义和实用价值，不仅有助于全面理解材料腐蚀和强韧化的微观机制，而且为设计高温耐蚀、抗氧化、高强度合金提供了科学依据。本文基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了界面元素偏析对耐热合金耐蚀性和强韧性的影响机制，主要研究了如下内容并得到了一些有意义的结论: 1.以α-FeΣ5(210)界面结构为模型，探讨了Cr、Mo、Nb、Al在α-FeΣ5(210)晶界的稳定性和偏聚行为，分析了Cr、Al对铁素体不锈钢界面结构和特性的影响。发现:Cr、Al溶于α-Fe降低了稳定性，而Mo、Nb提高了稳定性。Cr可较为均匀的分布于α-Fe晶内和晶界，若分布于晶界可提高α-FeΣ5(210)界面的韧性，而Nb、Mo、Al均易在α-FeΣ5(210)晶界产生偏析现象，使界面脆化，影响程度由弱到强为:Cr＜Al＜Mo＜Nb。 2.Al的固溶有利于提高α-Fe-CrΣ5(210)铁素体不锈钢的稳定性，同时Cr、Al的复合作用，可减缓单一Al时，在α-FeΣ5(210)界面的偏聚倾向，使Al、Cr在α-Fe结构中分布趋于均匀。而晶界贫铬时，Al又有偏聚于α-FeΣ5(210)界面倾向，这一特性对于改善Fe-Cr-Al合金的抗氧化性能非常有利。 3.研究了S，Cl在铁素体不锈钢晶间腐蚀过程中Cr的影响机制。发现:S、Cl极易渗入α-FeΣ5(210)界面处，提高体系的稳定性，并且易于在界面处偏聚，增大界面开裂倾向，即发生晶间腐蚀。对比来看，S的作用大于Cl的影响。 S、Cl渗入不同Cr含量的α-Fe-CrΣ5(210)界面处时，界面处存在的Cr可减缓S、Cl在α-FeΣ5(210)界面偏聚的倾向，并且Cr含量越高，抑制S、Cl渗入α-FeΣ5(210)界面的效果越明显，即Cr可抑制S、Cl引起的晶间腐蚀。同等条件下，对Cl的抑制作用更为明显。同时，存在于界面的Cr可降低S、Cl对界面引起的脆化倾向。与α-Fe相比，S、Cl渗入α-Fe-CrΣ5(210)界面后，体系费米能处的电子数减少，随Cr含量的增大，减小幅度略有增加。表明Cr使α-Fe腐蚀电位提高，Cr越多，腐蚀电位提高的幅度越大，体系的耐腐蚀性越好。 4.分析了H对γ-Fe变形过程中微观结构和断裂机制的影响。发现:H溶于γ-Fe后可提高体系的稳定性，且更容易分布于八面体间隙位置，随着H含量的增加，体系结合能的变化不大，但均低于γ-Fe，表明H易溶于γ-Fe中。 γ-Fe和含H的γ-Fe体系拉伸试验对比发现，无H的γ-Fe在变形过程中并没有产生相变现象，而含H的γ-Fe在变形过程中产生了fcc向bct转变的马氏体相变过程，即H可使γ-Fe形变诱发相变。且相变首先开始于邻近H的原子层，然后随着变形量的增大，逐步向远处推进，最终使整个体系产生相变。 5.分析了S、P、H、N、O对Ni(111)表面稳定性、表面结构和电子特性的影响，并在原子层次上探讨了Cr对杂质侵蚀Ni表面的作用机制。发现:S、P在晶粒内部不稳定。不易存在于Ni(111)体系的间隙位置，易向界面和表面扩散，H、O、N可分布在晶粒内部的间隙，并且N在晶内间隙位置偏聚的倾向性较大。Cr在Ni的固溶影响着杂质的分布，但对H、O产生的影响不明显，会促进N的偏聚，而S、P元素主要通过界面渗入Ni(111)中，Cr的溶入有抑制其在晶内存在的倾向性。 6.研究了S、P、H、N和O以间隙形式固溶Ni(111)，Ni-Cr(111)后，对其变形产生的影响，并在原子层次上探讨了Cr固溶Ni后对影响其变形能力的杂质的作用。发现:Ni首先在(111)<112>滑移系滑移变形，这与试验结果相一致。当外部环境介质H，N，O侵入到Ni基合金晶粒内部时，由于使得体系的层错能降低，除引起氧化、腐蚀等影响外，还使得该区域抵抗变形的能力下降，增大蠕变变形的可能性。 在Ni中固溶入Cr有利于提高(111)<112>滑移系的层错能，即提高Ni基合金的强度。Cr固溶后，与含间隙型杂质的Ni-Cr合金(111)<112>滑移系的层错能变化对比来看，Cr使得H、N以间隙形式固溶于Ni合金体系层错能提高，而使得O以间隙形式固溶于Ni合金体系层错能降低。总体来看，当外部环境介质H，N，O侵入到Ni-Cr合金基体中时，含有O元素的Ni-Cr合金体系抵抗变形的能力更低，即氧化层临近的内氧化层区域抵抗蠕变变形能力弱于基体区域。