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Fe-Cr-Ni系奥氏体不锈钢低温(<723K)氮表面改性,包括气体、等离子体渗氮,氮离子注入和等离子体基氮离子注入等,可形成单一相结构的高氮(约20-30at.%)面心立方相(γN)改性层,具有高硬度及显著改善的耐磨抗蚀复合性能。为了掌握奥氏体不锈钢氮表面改性机理,提高氮表面改性效率,确定其影响因素,本文系统地开展了奥氏体不锈钢表面氮的扩散动力学实验和理论研究。首先,采用等离子体基低能氮离子注入奥氏体不锈钢,建立了奥氏体不锈钢表面氮浓度-深度分布规律,分析了γN相改性层中氮原子的非线性扩散行为；其次,利用第一性原理计算含氮奥氏体中氮原子的相互作用,提出了奥氏体不锈钢中氮原子间隙扩散非线性动力学模型；第三,结合等离子体基低能氮离子注入奥氏体不锈钢的浓度-深度分布实验结果,确定了奥氏体不锈钢氮扩散的非线性动力学模型的特征参数,并用于讨论气体渗氮、等离子渗氮和离子注入等典型γN相表面改性工艺的实验规律,揭示了氮的增强扩散机制；最后,针对单晶奥氏体不锈钢氮表面改性的特点,进一步研究了各向异性的含氮奥氏体中氮原子的相互作用,确定了单晶奥氏体不锈钢氮扩散的非线性动力学规律及其影响因素。采用等离子体基低能氮离子注入改性AISI304奥氏体不锈钢,在渗氮温度673K,等离子体源功率400W,平均氮离子束流密度0.3,0.4和0.6mA/cm2的条件下,获得了没有第二相析出的单一γN相渗氮表面改性层。随着平均氮离子束流密度的增加,表面氮浓度从19at.%增加到31at.%,渗氮层厚度从6μm增加到13μm。氮在奥氏体不锈钢中的浓度-深度分布曲线具有非误差函数的平台型特点,说明氮在奥氏体不锈钢中的扩散动力学行为具有非线性特征。利用密度泛函理论计算了含氮奥氏体不锈钢晶胞能量、结构和电子密度分布,以及差分电子密度分布,研究了奥氏体不锈钢晶格平衡位置上氮的状态。随着氮所处八面体中Cr原子数的增加,含氮奥氏体不锈钢超晶胞能量降低,氮位于含Cr原子数为0到3的八面体中心时,超晶胞的能量分别为0.380,0.045,-0.427和-0.816eV,氮原子稳定存在于含2或3个Cr原子的八面体中,且处于最近邻平衡位置的氮原子之间的势能与其周围Cr原子数量无关,均在2.3-2.6eV的范围内,表明奥氏体不锈钢中处于平衡位置的氮原子之间存在很强的排斥相互作用,这种相互作用较Cr-N之间吸引性相互作用更加显著。基于非均匀体系间隙原子非线性扩散理论,建立了奥氏体不锈钢中氮原子间隙扩散非线性动力学模型,该模型包含4个特征参数：氮原子相互作用能VNN,单一氮原子的扩散激活能EA,指前因子Do以及饱和浓度Cc。结合等离子体基低能氮离子注入AISI304奥氏体不锈钢的浓度-深度分布实验结果,确定了氮表面改性AISI304奥氏体不锈钢中氮原子间隙扩散非线性动力学模型的4个特征参数VNN、EA、D0和Cc分别为0.041eV、1.01eV、4.7×10-9m2/s、50at.%。该模型成功解释了Christiansen等报道的气体渗氮AISI316奥氏体不锈钢的浓度-扩散系数实验规律,Templier等报道的等离子体渗氮AISI316奥氏体不锈钢,以及Parascandola等报道的高束流离子渗氮DIN1.4571奥氏体不锈钢的浓度-深度分布。揭示了氮的增强扩散机制是氮原子之间强烈的排斥相互作用。针对单晶奥氏体不锈钢弹性能各向异性对氮表面改性的影响,利用氮表面改性奥氏体不锈钢中氮原子间隙扩散非线性动力学模型,保持与各向异性无关的参数:EA、Do和cc,修正了氮原子相互作用能VNN,计算了643-718K下,氮沿AISI316L单晶奥氏体不锈钢(100)、(110)和(111)方向扩散的浓度-深度分布曲线,计算结果与Martinavicius等报道的等离子体渗氮单晶奥氏体不锈钢所获得的浓度-深度分布曲线相一致。利用晶格静力学,将奥氏体基体亚点阵简化为连续介质,间隙原子之间通过该介质发生相互作用,利用间隙型二元合金晶格静力学理论,计算了(100)、(110)和(111)方向的间隙氮原子的相互作用能比值为1.42：1.19：1,与修正的氮原子相互作用能VNN规律一致。进一步证明了奥氏体不锈钢中氮原子间隙扩散非线性动力学模型的合理性。