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铁是地球上含量最多的元素之一,但纯铁因强度、硬度、延展性较差而通常无法直接使用于工程中。然而,在铁中添加微量的合金元素就会对其力学性能和物理、化学性能产生很大的影响。因此各种类的合金钢被广泛的使用。由于TiC和TiN具有高硬度、低摩擦系数和化学稳定性好等优良性能,目前关于Ti,C,N合金元素对Fe基体性能的影响已经被广泛的研究。但Ti,C,N在Fe基中的微观强化机理和微观迁移机理尚不清楚,因此本文从原子、分子层次上研究了Ti,C,N在Fe基中的微观作用机理。首先,本文基于第一性原理赝势平面波方法研究了合金元素Ti,C,N对α-Fe基电子结构及键合性质的影响,计算了含Ti,C,N的Fe基固溶体的总能量、结合能和力学性能,分析了态密度、电荷聚居数、交叠聚居数和电荷密度,从理论上解释了在Fe基中固溶Ti,C,N后其性能改善的原因。结果表明：随着Fe基固溶体中Ti(0-12.5at%),C(0-11.11at%),N(0-11.11at%)含量增加,结合能略有增加；Ti,C,N的固溶使各Fe基固溶体在费米能级处强烈成键,结合能力增强,并且在费米能级附近出现赝能隙,表明固溶体中金属键与共价键共存。随着Ti,C,N含量的增加,C,N分别与Ti,Fe之间的共价键结合强度加强,部分C,N原子会与Ti原子结合形成TiC, TiN颗粒,起到沉积相颗粒强韧化作用。其次,本文通过采用CASTEP模块的LST/QST搜索过渡态方法,分别以Fe16(2×2×2)和Fe24(2×2×3)超胞作为Fe基体,计算了C和N原子在纯Fe和固溶Ti后Fe基中的迁移能垒。结果表明：当N和C原子占位相同时,N原子的迁移能垒小于C原子的迁移能垒。C,N原子与Ti原子间距越小,迁移能垒越大；C,N原子与Ti间距越大,迁移能垒越小。当Ti含量较小时,C,N原子的迁移能垒减小,当Ti含量较大时,C,N原子的迁移能垒增大。再次,本文通过搭建含有Ti,C,N合金元素的Fe(100)表面,并对其进行结构优化,系统研究了Ti,C,N在Fe(100)表面中的迁移情况,并通过分析电子结构阐述了Ti,C,N合金元素对Fe(100)表面的强化机理。结果表明,当Ti,C或者N原子单独向Fe(100)表面迁移时,其存在于表面第一层时结构稳定性最好；当Ti和C同时向Fe(100)表面迁移时,Ti和C同时占据第一层时结构稳定性最好；当Ti和N同时向Fe(100)表面迁移时,Ti和N同时占据第一层时结构稳定性最好。最后,本文搭建了具有4层Fe和4层TiC(N)的界面模型Fe/TiC和Fe/TiN,通过计算界面模型的总能量和结合能,分析态密度、交叠聚居数和电荷密度,从理论研究了Fe/TiC和Fe/TiN界面之间的结合强度、电子结构和键合作用。计算结果表明：在Fe/TiC和Fe/TiN界面中当Fe原子与C或者N原子直接结合时,Fe与C,N原子形成强的共价键；当Fe原子与Ti原子直接结合时,形成金属键,即Fe/TiC和Fe/TiN界面的结合强度主要由界面中的Fe-C和Fe-N共价键贡献。