堆焊技术作为表面工程中的关键技术,具有生产效率高、经济性好的优点。采用堆焊技术对机械零部件进行表面强化或表面再制造,不仅可以改善零部件表面性能,还可以恢复失效零部件的形状和尺寸。适应于不同应用领域的堆焊材料也随着堆焊技术的进步而快速发展,药芯焊丝作为堆焊材料中的先进材料已经在现代的工业生产中得到了非常广泛的应用。本文自行研发了自保护Fe-Cr-C堆焊药芯焊丝,通过优化焊丝中药芯成分,制备获得不同含N量的Fe-13Cr-0.2C与Fe-25Cr-4C两种典型系列的堆焊合金。采用ThermoCalc软件计算并优化堆焊合金成分,采用金相显微镜、场发射扫描电子显微镜、X射线衍射、透射电子显微镜等技术观察和分析各堆焊合金中组织变化规律,采用拉伸试验机、宏观洛氏硬度计、显微硬度计、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机等设备研究不同N含量的堆焊合金性能,采用第一性原理方法计算堆焊合金中不同相之间界面行为,研究N对各堆焊合金中组织演变以及性能的影响规律。元素N在Fe-13Cr-0.2C堆焊合金中具有取代元素C的作用,可以降低液相参与包晶反应生成奥氏体的比例,达到细化原奥氏体晶粒的目的。原奥氏体晶粒的细化可以影响后续马氏体转变过程,得到板条更加细小的马氏体组织。与不含N的Fe-13Cr-0.2C堆焊合金相比,含N的堆焊合金中马氏体板条由0.35μm细化至0.20μm。提出了采用修正的Hall-Petch公式计算Fe-13Cr-0.2C堆焊合金屈服强度的方法,得到的计算结果与实验测量结果吻合较好。通过分析不同N含量的Fe-25Cr-4C堆焊合金中显微结构,发现其中M₇C₃碳化物为正交结构,含有Ti和Nb的碳氮化物为面心立方结构。此外,M₇C₃碳化物周围可形成M23C6碳化物、高密度位错以及板条马氏体,这些显微组织的形成可以降低M₇C₃碳化物与γ-Fe之间的硬度梯度,降低碳化物的剥落倾向。在M₇C₃碳化物与γ-Fe相内部,都发现了堆垛层错的形成,这对提高堆焊合金中基体强度与碳化物的韧性具有重要作用。根据Bramfitt二维点阵错配度理论,计算（110）（Ti,Nb）（C,N）与（100）M₇C₃之间错配度δ为6.15%,证明了（Ti,Nb）（C,N）作为M₇C₃碳化物的异质形核核心是中等有效的,（Ti,Nb）（C,N）可以作为M₇C₃的异质形核核心细化碳化物,很好的解释了过共晶Fe-25Cr-4C-Ti-Nb堆焊合金中,N含量的增加可以细化初生碳化物的现象。此外,计算LaAlO₃与M₇C₃、TiC、TiN和（Ti,Nb）（C,N）之间的错配度,发现LaAlO₃作为M₇C₃、TiC、TiN和（Ti,Nb）（C,N）的异质形核核心是中等有效的。不同尺寸的碳化物在磨损过程中表现出不同的行为,大块的碳化物在磨粒磨损过程中容易产生裂纹和开裂并形成剥落。通过获取磨损表面形貌粗糙度数值的概率密度分布曲线并定性对比碳化物尺寸,提出了各堆焊合金中碳化物尺寸与概率密度分布曲线的形态参数μ和σ呈正比关系的特点。此外,过共晶堆焊合金中细小的碳化物在磨损过程中呈现出弯曲变形和逐层剥落的特点,其行为特点与堆焊合金中发现的堆垛层错、板条马氏体等组织的性质相一致。M（C,N）（111）/Fe3Cr4C3（0001）、LaAlO₃（100）/TiC（100）以及LaAlO₃（111）/MX（111）界面之间结合能、表面能及其电子结构和键合等行为表现出其界面较好的稳定性和不同原子间的成键特性。从多方面论证了M（C,N）化合物、LaAlO₃稀土氧化物作为M₇C₃碳化物以及LaAlO₃稀土氧化物作为M（C,N）化合物异质形核核心的有效性。