本书介绍了第1性原理计算基础和应用进展；建立了热扩渗元素（如碳、氮）在金属表面层中扩散形成的微结构原子模型；通过第1性原理计算，得出热扩渗元素固溶于有无合金化的体心和面心立方结构铁中的稳定性及性质，以及热扩渗层中典型析出相的稳定性及其性质，支撑热扩渗层微结构优化设计。
本书可作为普通高等学校从事材料科学研究的学生和教师及相关领域科技工作者的参考书。
众所周知，热处理与表层改性赋予材料极限性能，给予装备关键件长寿命和高可靠性。在过去的30多年中，闫牧夫教授团队聚焦新材料与高端装备关键件抗疲劳及热加工技术短板，开展特种热处理与表面改性、精确成形与控性理论和应用研究，推进材料基因工程平台发展。针对短板技术缺芯，创建热扩渗组织结构纳米化与功能化、稀土共渗催化与微合金化、热加工零畸变等理论；针对仿真软件空芯，从场论出发，建立疲劳寿命和可靠性的多因泛函方程、热加工过程数学模型、工艺-组织-性能关系等多尺度模型；基于创芯理论和模型，形成热加工与改性虚拟仿真和技术设计原创平台，实现以技术设计替代技术探索。
本书作为材料表面改性基因工程基础，由哈尔滨工业大学闫牧夫教授组织撰写和统稿，总结了本团队在原子电子结构层面上开展的热扩渗层微结构设计与合金化行为、微结构稳定性及其性质等研究成果。全书共包括6章，第1章介绍热扩渗层微结构及其性质的第一性原理计算基础和应用进展；第2-5章详细研究热扩渗碳氮在有无合金化的体心立方和面心立方结构铁中的行为；第6章介绍热扩渗层中析出相结构及其性质。第1、6章由闫牧夫教授撰写，第2、4章由齐齐哈尔大学由园博士撰写，第3、5章由哈尔滨理工大学陈宏涛博士撰写。
本书基于原子尺度模型的微结构设计计算，是热加工成形控性及热扩渗抗疲劳虚拟仿真与技术设计平台（http：//www.ilab-x.comldetails/2020?id=6587&isView=true#1001）的组成部分。因此，设计并发明了热扩渗氮晶粒组织纳米化、热扩渗碳原位自生石墨-金刚石纳米结构、热加工准同步相变微变形等系列短板技术。本书仅供同行参考，疏漏及不足之处敬请批评指正。
闫牧夫.1984年毕业于原哈尔滨科技大学金属材料及热处理专业.1987年获得哈尔滨工业大学硕士学位并留校任教，1993年获得哈尔滨工业大学博士学位，1998年被英国皇家工程院院士、Birmingham大学T.Bell教授邀为Visiting Scientist；现任哈尔滨工业大学教授（二级），博士生导师，金属精密热加工***重点实验室副主任：兼任国际热处理与表面工程联合会（IFHTSE）执委，中国机械工程学会热处理分会副理事长，中国热处理行业协会副会长、教育培训委员会主任，黑龙江省热处理学会理事长，国家自然科学基金、重点研发计划会评专家，《材料热处理学报》副主编、《中国热处理与表层改性技术路线图》综合组长等。
从事先进热处理、等离子体与稀土表面改性、精确成形与控性、多尺度模型与仿真等理论和应用研究。主持国家自然科学基金重点项目和面上项目、863项目、973/重点研发计划专题/课题、总装备部预研项目等20余项：建立构件疲劳寿命与可靠性多因素泛函模型、热加工精确成形与抗疲劳改性多尺度模型、颠覆性技术设计理论和方法，创建热扩渗层晶粒纳米化/DLC纳米结构、等Biot数热加工零畸变等理论和技术，用于高端装备关键件自主制造。获黑龙江省技术发明一等奖1项（排名1）、中国热处理行业技术进步一等奖1项（排名1）、黑龙江省自然科学技术学术成果一等奖2项（排名1）、部省级科技二等奖3项。在Carbon、Journal of Materials Chemistry A、Applied Surface Science等期刊上发表论文200余篇；出版教材、学术著作等6部。
提出厚基础、强融合、重突破的人才培养指导思想和学以致用、触及高峰的培养理念，创立材料科学与工程创新人才培养的322模式，推出基于本团队原创理论和数学模型的热加工虚拟仿真与技术设计平台，培养创芯人才；创建大学生热加工创新设计（DCTP）国际大赛平台、中国大学生材料热处理知识技能和创新创业双赛平台、首批材料热处理工程师资格认证基地，培养出一批国之重器领域急需的杰出人才。荣获首届哈尔滨十大科技英才、黑龙江省名师、师德先进个人、三育人先进工作者等荣誉称号；获黑龙江省教学成果一等奖2项/二等奖1项、中国热处理创新人才培养突出贡献奖等30余项（均排名1）。
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