材料熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)引言課件

1材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)1材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)22331.材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)--引言材料熱力學(xué)的發(fā)展和重要性331.材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)--引言材料熱力學(xué)的發(fā)展和重要性4熱力學(xué)最初因研究熱和機(jī)械功相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系而得名；進(jìn)而發(fā)展成從能量觀點(diǎn)研究物質(zhì)的熱性質(zhì)和熱運(yùn)動(dòng)?！皌hermodynamics”起源于希臘語(yǔ)，“thermo－熱(heat)”,“dynamics－動(dòng)力(power)”。Thermodynamics

andkinetics動(dòng)力學(xué):

過程變化速率和變化機(jī)理，即過程的現(xiàn)實(shí)性。動(dòng)力學(xué)比熱力學(xué)復(fù)雜。任何一個(gè)體系，熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)(體系狀態(tài))三方面不是彼此孤立而是密切聯(lián)系的。材料科學(xué)是材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一、和諧作用的結(jié)果。熱力學(xué):研究物質(zhì)體系的能量及其轉(zhuǎn)換的科學(xué),研究某個(gè)過程的可能性、方向性。4熱力學(xué)最初因研究熱和機(jī)械功相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系而得名；進(jìn)而發(fā)展成材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)與材料科學(xué)材料熱、動(dòng)力學(xué)：從材料“能量”的角度來(lái)探討材料的相平衡問題，將熱力學(xué)定律與動(dòng)力學(xué)因素應(yīng)用于研討材料科學(xué)問題，研究材料中相的穩(wěn)定性、組織結(jié)構(gòu)形成規(guī)律。材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)已經(jīng)成為研究者理解和研究材料科學(xué)問題的重要工具（材料研究者的地圖和交通工具）。為什么材料工作者需要理解和使用熱、動(dòng)力學(xué)工具進(jìn)行材料科學(xué)研究呢?事實(shí)上，材料熱力學(xué)的發(fā)展一直是和材料研究的進(jìn)展密切聯(lián)系在一起的。材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)與材料科學(xué)材料熱、動(dòng)力學(xué)：從材料“能量”的6材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展材料科學(xué)與工程四要素與材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能與能量的關(guān)系材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究目的和對(duì)象材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的重要性及進(jìn)展6材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展71876年GibbS相律的出現(xiàn):經(jīng)典熱力學(xué)一個(gè)重要的里程碑。剛剛開始不久的材料組織的研究，便有了最基本的理論指導(dǎo)。材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展71876年GibbS相律的出現(xiàn):經(jīng)典熱力學(xué)一個(gè)重要的里程8偉大的發(fā)現(xiàn)往往出現(xiàn)在寂寞的思考中。8偉大的發(fā)現(xiàn)往往出現(xiàn)在寂寞的思考中。99101899年Roberts-Austen發(fā)表了Fe-Fe3C相圖，使鋼鐵材料的研究一開始就有理論支撐(Osmond為了紀(jì)念Roberts-Austen

在Fe-C相圖方面的貢獻(xiàn)，將γ固溶體命名為奧氏體;

Howe

以Martens命名鋼的淬火組織為馬氏體)。1900年B.Roozeboom把相律應(yīng)用到了多組元系統(tǒng)，把理解物質(zhì)內(nèi)可能存在的各種相及其平衡關(guān)系提升到了理性階段，并根據(jù)相律重新修訂了Fe-C平衡相圖。材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展101899年Roberts-Austen發(fā)表了Fe-Feβ-Fe的故事金相學(xué)史上最大的爭(zhēng)論(1885-1930)：鋼淬火硬化的機(jī)理。Allotropist(α-Feβ-Fe)PKCarbonist(C的作用)。

1885：Osmond首次提出β-Fe1922：Westgren等

高溫XRD證實(shí)β-Fe與α-Fe同為體心立方結(jié)構(gòu)1927：Fink,Kordjumov,XRD，BCTc/a=1+0.045%C，碳固溶導(dǎo)致鐵素體晶格畸變?chǔ)?Fe的故事β-Fe的故事金相學(xué)史上最大的爭(zhēng)論(1885-1930)：鋼淬火硬化的機(jī)理。Allotropist(α-Feβ-Fe)PKCarbonist(C的作用)。

1885：Osmond首次提出β-Fe1922：Westgren等

高溫XRD證實(shí)β-Fe與α-Fe同為體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)1927：Fink,Kordjumov,XRD，BCTc/a=1+0.045%C，碳固溶導(dǎo)致鐵素體晶格畸變?yōu)槭裁磰W氏體(fcc)固溶碳后塑性不大幅降低呢？馬氏體可動(dòng)滑移系少？為什么純鐵具有高塑性？加入0.45wt%C(45#鋼),即：約50個(gè)Fe含有1個(gè)C(間隙)可使鐵素體塑性降至零？馬氏體到底因何而硬

?我們?cè)陉P(guān)注！β-Fe的故事131899年Roberts-Austen發(fā)表了Fe-Fe3C相圖，使鋼鐵材料的研究一開始就有理論支撐(Osmond為了紀(jì)念Roberts-Austen

在Fe-C相圖方面的貢獻(xiàn)，將γ固溶體命名為奧氏體;

Howe以Martens命名鋼的淬火組織為馬氏體)。1900年B.Roozeboom把相律應(yīng)用到了多組元系統(tǒng)，把理解物質(zhì)內(nèi)可能存在的各種相及其平衡關(guān)系提升到了理性階段，并根據(jù)相律重新修訂了Fe-C平衡相圖。20世紀(jì)初G.Tamman通過實(shí)驗(yàn)建立了大量金屬系相圖．有力推動(dòng)了合金材料開發(fā)，被認(rèn)為是那個(gè)時(shí)代的主流基礎(chǔ)工作。稍后的經(jīng)驗(yàn)性溶體理論和20世紀(jì)30年代Brragg和Williams利用統(tǒng)計(jì)方法建立的自由能理論，使熱力學(xué)研究有可能與對(duì)材料結(jié)構(gòu)的有序性等微觀認(rèn)識(shí)結(jié)合起來(lái)，意義巨大。材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展131899年Roberts-Austen發(fā)表了Fe-Fe141450年代初R.Kikuchi提出了關(guān)于熵描述的現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)理論，實(shí)際上己經(jīng)逐漸在探索把熱力學(xué)與第一原理（FirstPrinciple）計(jì)算結(jié)合起來(lái)的可能性。60年代初M.Hillert等關(guān)于非平衡系統(tǒng)熱力學(xué)的研究，導(dǎo)致了失穩(wěn)分解（Spinodal分解）研究領(lǐng)域的出現(xiàn)，極大地豐富了材料組織形成規(guī)律的認(rèn)識(shí)。20世紀(jì)70年代由L.Kaufman、M.Hillert等倡導(dǎo)的相圖熱力學(xué)計(jì)算，使金屬、陶瓷材料的相圖特別是多元相圖的研究走進(jìn)了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)支持下相圖計(jì)算的逐漸成熟，形成了一種相平衡研究的CALPHAD模式。其意義更在于這使材料的研究逐漸在結(jié)束嘗試法（Trialanderror）階段，而步入根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行材料設(shè)計(jì)的時(shí)代。141450年代初R.Kikuchi提出了關(guān)于熵描述的現(xiàn)材料科學(xué)與工程：研究各種材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備加工工藝、材料性能和使用效能以及他們之間的關(guān)系的科學(xué)。Performance(材料使用(服役)性能)Synthesis/Processing(制備合成/加工工藝)Structure/Composition結(jié)構(gòu)/成分Properties材料固有性能材料科學(xué)與工程四要素與材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)材料動(dòng)力學(xué)材料熱力學(xué)材料熱力學(xué)材料科學(xué)與工程：研究各種材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備加工工藝、材料165nm現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的主要特征之一：對(duì)材料微觀層次的認(rèn)識(shí)不斷深入。165nm現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的主要特征之一：對(duì)材料微觀層次的17一種誤解：現(xiàn)代材料研究已經(jīng)進(jìn)入微米和納米尺度，只有在微觀尺度上對(duì)材料的直接分析才是深刻把握材料組織結(jié)構(gòu)形成規(guī)律的最主要內(nèi)容和最主要途徑；焓、熵、自由能等熱力學(xué)概念似乎已經(jīng)不是材料研究的主要關(guān)注點(diǎn)。17一種誤解：18材料熱力學(xué)貫穿于材料研究的整個(gè)過程，無(wú)論是材料結(jié)構(gòu)、加工、服役及性能；現(xiàn)代材料科學(xué)的每一次進(jìn)步和發(fā)展都一直受到經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的支撐和幫助。材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展正是材料科學(xué)走向成熟的標(biāo)志之一。熱力學(xué)－常識(shí)！18材料熱力學(xué)貫穿于材料研究的整個(gè)過程，無(wú)論是材料結(jié)構(gòu)、加工19例說(shuō)：材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究目的和對(duì)象材料熱、動(dòng)力學(xué)的研究目的：從能量的角度研究材料科學(xué)中的問題。揭示材料中的相和組織的形成規(guī)律。材料熱、動(dòng)力學(xué)的主要研究對(duì)象：固態(tài)材料的熔化和凝固、固態(tài)相變、相平衡關(guān)系和相平衡成分、材料中顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性程度、相變的方向及計(jì)算相變時(shí)的驅(qū)動(dòng)能量等。19例說(shuō)：材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究目的和對(duì)象材料熱、動(dòng)力學(xué)的20材料設(shè)計(jì)的核心問題:根據(jù)已知材料成分，預(yù)測(cè)材料在平衡或接近平衡條件下將形成的組織結(jié)構(gòu)，然后推測(cè)其材料性能。材料成分-組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系要服從一個(gè)基本規(guī)則---材料熱力學(xué)。相圖是組元之間組成合金或者化合物時(shí)的平衡熱力學(xué)關(guān)系的表達(dá)，非平衡條件下的出現(xiàn)的相決定于動(dòng)力學(xué)條件。Fe-C相圖20材料設(shè)計(jì)的核心問題:根據(jù)已知材料成分，預(yù)測(cè)材料在平衡或21Fe-C合金的T--T--T動(dòng)力學(xué)曲線材料動(dòng)力學(xué)研究材料及其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)形成過程及其演變21Fe-C合金的T--T--T動(dòng)力學(xué)曲線材料動(dòng)力學(xué)研究材料222221珠光體馬氏體222221珠光體馬氏體23材料熱力學(xué)：根據(jù)能量準(zhǔn)則判斷某種結(jié)構(gòu)是否具有形成和存在的可能性；材料動(dòng)力學(xué)：告訴我們某種結(jié)構(gòu)如何形成，與溫度、冷卻速度等的關(guān)系。實(shí)際上，某種結(jié)構(gòu)的形成往往取決于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件的共同作用。實(shí)例23材料熱力學(xué)：實(shí)例2424例1：石墨和金剛石--金剛石為亞穩(wěn)相，它是否最終會(huì)變成石墨，需要什么條件(熱力學(xué)條件還是動(dòng)力學(xué)條件)？材料的亞穩(wěn)相終將變成穩(wěn)定相嗎？2424例1：石墨和金剛石--金剛石為亞穩(wěn)相，它是否最終會(huì)2525例2：晶體和非晶體--非晶相最終會(huì)轉(zhuǎn)變(晶化)為晶體，需要什么條件(熱力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)條件)？單質(zhì)金屬(Fe,Cu,Al等)能形成非晶嗎？為什么大塊非晶多采用多組元成分呢？2525例2：晶體和非晶體--非晶相最終會(huì)轉(zhuǎn)變(晶化)為晶體2626材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)－它們是相互依存的關(guān)系，二者共同決定材料的組織結(jié)構(gòu)和物理以及力學(xué)性能。材料穩(wěn)定態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)示意圖2626材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)－它們是相互依存的關(guān)系，二者共同決2727例3：TiAl合金的氧化--Al2O3比TiO2具有更負(fù)的生成焓，但是TiAl氧化的時(shí)候在合金的表面生成的是TiO2

而不是Al2O3，這取決于熱力學(xué)因素還是動(dòng)力學(xué)因素？2727例3：TiAl合金的氧化--Al2O3比TiO228啟示：1.如果你是高富帥或者白富美，你要及時(shí)行動(dòng)！2.如果你不是高富帥或白富美，你要及時(shí)行動(dòng)！為什么？你懂的！28啟示：2929例4：Co同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的尺寸效應(yīng)–從高溫冷卻時(shí)，從納米到微米尺度的Co顆?？稍谑覝乇３謥喎€(wěn)結(jié)構(gòu)(FCC)，而非穩(wěn)定的HCP結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)顆粒尺寸遠(yuǎn)大于10m時(shí)才可觀察到少量的HCP結(jié)構(gòu)。是熱力學(xué)因素還是動(dòng)力學(xué)因素決定的呢？2929例4：Co同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的尺寸效應(yīng)–從高溫冷卻時(shí)，從30材料熱力學(xué)的重要性及進(jìn)展材料熱力學(xué)是材料研究的重要基礎(chǔ)，它與“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”和“化學(xué)熱力學(xué)”鼎足而立，是材料科學(xué)中的一門重要基礎(chǔ)課程。美國(guó)麻省理工學(xué)院在60年代成立冶金及材料科學(xué)系，以后改名為材料科學(xué)與工程系的教學(xué)計(jì)劃中，材料熱力學(xué)是專業(yè)課的第一門課程。能熟練應(yīng)用材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論來(lái)分析問題和解決問題，是材料科學(xué)與工程專業(yè)研究人員應(yīng)該具有的能力和素質(zhì)。近年來(lái)，許多材料科學(xué)家將這門重要的基礎(chǔ)理論運(yùn)用到材料科學(xué)和工程的研究中，并取得重要進(jìn)展。30材料熱力學(xué)的重要性及進(jìn)展材料熱力學(xué)是材料研究的重要基礎(chǔ)，31C.P.Wang,X.J.Liu,I.OhnumaandK.Ishida,

Science,V.297(2002),p.990研究動(dòng)態(tài)－日本東北大學(xué)－將熱力學(xué)應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)和研發(fā)在太空微重力的環(huán)境下，形成自包裹合金是可能的。日本東北大學(xué)的研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在地球上制備卵型復(fù)合粉體的方法。(美國(guó)Chemical&EngineeringNews)31C.P.Wang,X.J.Liu,I.Ohnuma3232R.Kainuma,Y.Imano,Y.Sutou,H.Morito,S.Okamoto,A.Fujita,K.Ishida,NatureV439(2006)p.957J.Sato,T.Omori,K.Oikawa,I.Ohnuma,R.Kainuma,K.Ishida,

Science,V.312(2006)p.903232R.Kainuma,Y.Imano,Y.S中南大學(xué)，北京科技大學(xué)，東北大學(xué)，廈門大學(xué)，臺(tái)灣清華大學(xué)等。研究動(dòng)態(tài)－中南大學(xué)，北京科技大學(xué)，東北大學(xué)，廈門大學(xué)，臺(tái)灣清華大學(xué)等。研究動(dòng)態(tài)－臺(tái)灣清華大學(xué)－高熵合金的研究研究動(dòng)態(tài)－臺(tái)灣清華大學(xué)－高熵合金的研究材料熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)引言課件36挑戰(zhàn)--新研究和新發(fā)現(xiàn)36挑戰(zhàn)--新研究和新發(fā)現(xiàn)Twolargeclassesoftransitionsinnature

disorder

orderglass(frozendisorder/SRO)LiquidParamagneticParaelectricParaelastic(parentphase)CrystallinesolidferromagneticferroelectricFerroelastic(martensite)StructuralglassSpinglassRelaxorStrainglass?CrystallinestructureAmorphousstructureThermodynamictransitionNon-thermodynamictransitionTwolargeclassesoftransitio3838材料熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)引言課件4040馬氏體相變的硬化機(jī)理β-Fe?金相學(xué)史上最大的爭(zhēng)論(1885-1930)：鋼淬火硬化的機(jī)理。Allotropist(α-Feβ-Fe)PKCarbonist(C的作用)。碳過飽和固溶強(qiáng)化？

C固溶導(dǎo)致鐵素體(bcc)晶格畸變(1926-1927：Fink&Compbell,Kordjumov,XRD,BCT：c/a=1+0.045%C),硬度提高+塑性降低。為什么奧氏體(fcc)固溶碳后塑性不大幅降低呢？馬氏體可動(dòng)滑移系少？為什么純鐵具有高塑性？加入0.45wt%C(45#鋼),即：約50個(gè)Fe含有1個(gè)C(間隙)鐵素體塑性降至零？馬氏體到底因何而硬

?

我們所關(guān)注的問題！馬氏體相變的硬化機(jī)理4242434344思考題：碳原子能固溶在BCC(馬氏體)中么？鋼中馬氏體硬化的機(jī)制是什么？44思考題：碳原子能固溶在BCC(馬氏體)中么？鋼中馬氏體硬45材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)1材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)46247471.材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)--引言材料熱力學(xué)的發(fā)展和重要性331.材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)--引言材料熱力學(xué)的發(fā)展和重要性48熱力學(xué)最初因研究熱和機(jī)械功相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系而得名；進(jìn)而發(fā)展成從能量觀點(diǎn)研究物質(zhì)的熱性質(zhì)和熱運(yùn)動(dòng)?！皌hermodynamics”起源于希臘語(yǔ)，“thermo－熱(heat)”,“dynamics－動(dòng)力(power)”。Thermodynamics

andkinetics動(dòng)力學(xué):

過程變化速率和變化機(jī)理，即過程的現(xiàn)實(shí)性。動(dòng)力學(xué)比熱力學(xué)復(fù)雜。任何一個(gè)體系，熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)(體系狀態(tài))三方面不是彼此孤立而是密切聯(lián)系的。材料科學(xué)是材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一、和諧作用的結(jié)果。熱力學(xué):研究物質(zhì)體系的能量及其轉(zhuǎn)換的科學(xué),研究某個(gè)過程的可能性、方向性。4熱力學(xué)最初因研究熱和機(jī)械功相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系而得名；進(jìn)而發(fā)展成材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)與材料科學(xué)材料熱、動(dòng)力學(xué)：從材料“能量”的角度來(lái)探討材料的相平衡問題，將熱力學(xué)定律與動(dòng)力學(xué)因素應(yīng)用于研討材料科學(xué)問題，研究材料中相的穩(wěn)定性、組織結(jié)構(gòu)形成規(guī)律。材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)已經(jīng)成為研究者理解和研究材料科學(xué)問題的重要工具（材料研究者的地圖和交通工具）。為什么材料工作者需要理解和使用熱、動(dòng)力學(xué)工具進(jìn)行材料科學(xué)研究呢?事實(shí)上，材料熱力學(xué)的發(fā)展一直是和材料研究的進(jìn)展密切聯(lián)系在一起的。材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)與材料科學(xué)材料熱、動(dòng)力學(xué)：從材料“能量”的50材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展材料科學(xué)與工程四要素與材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能與能量的關(guān)系材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究目的和對(duì)象材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的重要性及進(jìn)展6材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展511876年GibbS相律的出現(xiàn):經(jīng)典熱力學(xué)一個(gè)重要的里程碑。剛剛開始不久的材料組織的研究，便有了最基本的理論指導(dǎo)。材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展71876年GibbS相律的出現(xiàn):經(jīng)典熱力學(xué)一個(gè)重要的里程52偉大的發(fā)現(xiàn)往往出現(xiàn)在寂寞的思考中。8偉大的發(fā)現(xiàn)往往出現(xiàn)在寂寞的思考中。539541899年Roberts-Austen發(fā)表了Fe-Fe3C相圖，使鋼鐵材料的研究一開始就有理論支撐(Osmond為了紀(jì)念Roberts-Austen

在Fe-C相圖方面的貢獻(xiàn)，將γ固溶體命名為奧氏體;

Howe

以Martens命名鋼的淬火組織為馬氏體)。1900年B.Roozeboom把相律應(yīng)用到了多組元系統(tǒng)，把理解物質(zhì)內(nèi)可能存在的各種相及其平衡關(guān)系提升到了理性階段，并根據(jù)相律重新修訂了Fe-C平衡相圖。材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展101899年Roberts-Austen發(fā)表了Fe-Feβ-Fe的故事金相學(xué)史上最大的爭(zhēng)論(1885-1930)：鋼淬火硬化的機(jī)理。Allotropist(α-Feβ-Fe)PKCarbonist(C的作用)。

1885：Osmond首次提出β-Fe1922：Westgren等

高溫XRD證實(shí)β-Fe與α-Fe同為體心立方結(jié)構(gòu)1927：Fink,Kordjumov,XRD，BCTc/a=1+0.045%C，碳固溶導(dǎo)致鐵素體晶格畸變?chǔ)?Fe的故事β-Fe的故事金相學(xué)史上最大的爭(zhēng)論(1885-1930)：鋼淬火硬化的機(jī)理。Allotropist(α-Feβ-Fe)PKCarbonist(C的作用)。

1885：Osmond首次提出β-Fe1922：Westgren等

高溫XRD證實(shí)β-Fe與α-Fe同為體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)1927：Fink,Kordjumov,XRD，BCTc/a=1+0.045%C，碳固溶導(dǎo)致鐵素體晶格畸變?yōu)槭裁磰W氏體(fcc)固溶碳后塑性不大幅降低呢？馬氏體可動(dòng)滑移系少？為什么純鐵具有高塑性？加入0.45wt%C(45#鋼),即：約50個(gè)Fe含有1個(gè)C(間隙)可使鐵素體塑性降至零？馬氏體到底因何而硬

?我們?cè)陉P(guān)注！β-Fe的故事571899年Roberts-Austen發(fā)表了Fe-Fe3C相圖，使鋼鐵材料的研究一開始就有理論支撐(Osmond為了紀(jì)念Roberts-Austen

在Fe-C相圖方面的貢獻(xiàn)，將γ固溶體命名為奧氏體;

Howe以Martens命名鋼的淬火組織為馬氏體)。1900年B.Roozeboom把相律應(yīng)用到了多組元系統(tǒng)，把理解物質(zhì)內(nèi)可能存在的各種相及其平衡關(guān)系提升到了理性階段，并根據(jù)相律重新修訂了Fe-C平衡相圖。20世紀(jì)初G.Tamman通過實(shí)驗(yàn)建立了大量金屬系相圖．有力推動(dòng)了合金材料開發(fā)，被認(rèn)為是那個(gè)時(shí)代的主流基礎(chǔ)工作。稍后的經(jīng)驗(yàn)性溶體理論和20世紀(jì)30年代Brragg和Williams利用統(tǒng)計(jì)方法建立的自由能理論，使熱力學(xué)研究有可能與對(duì)材料結(jié)構(gòu)的有序性等微觀認(rèn)識(shí)結(jié)合起來(lái)，意義巨大。材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展131899年Roberts-Austen發(fā)表了Fe-Fe585850年代初R.Kikuchi提出了關(guān)于熵描述的現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)理論，實(shí)際上己經(jīng)逐漸在探索把熱力學(xué)與第一原理（FirstPrinciple）計(jì)算結(jié)合起來(lái)的可能性。60年代初M.Hillert等關(guān)于非平衡系統(tǒng)熱力學(xué)的研究，導(dǎo)致了失穩(wěn)分解（Spinodal分解）研究領(lǐng)域的出現(xiàn)，極大地豐富了材料組織形成規(guī)律的認(rèn)識(shí)。20世紀(jì)70年代由L.Kaufman、M.Hillert等倡導(dǎo)的相圖熱力學(xué)計(jì)算，使金屬、陶瓷材料的相圖特別是多元相圖的研究走進(jìn)了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)支持下相圖計(jì)算的逐漸成熟，形成了一種相平衡研究的CALPHAD模式。其意義更在于這使材料的研究逐漸在結(jié)束嘗試法（Trialanderror）階段，而步入根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行材料設(shè)計(jì)的時(shí)代。141450年代初R.Kikuchi提出了關(guān)于熵描述的現(xiàn)材料科學(xué)與工程：研究各種材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備加工工藝、材料性能和使用效能以及他們之間的關(guān)系的科學(xué)。Performance(材料使用(服役)性能)Synthesis/Processing(制備合成/加工工藝)Structure/Composition結(jié)構(gòu)/成分Properties材料固有性能材料科學(xué)與工程四要素與材料熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)材料動(dòng)力學(xué)材料熱力學(xué)材料熱力學(xué)材料科學(xué)與工程：研究各種材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備加工工藝、材料605nm現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的主要特征之一：對(duì)材料微觀層次的認(rèn)識(shí)不斷深入。165nm現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的主要特征之一：對(duì)材料微觀層次的61一種誤解：現(xiàn)代材料研究已經(jīng)進(jìn)入微米和納米尺度，只有在微觀尺度上對(duì)材料的直接分析才是深刻把握材料組織結(jié)構(gòu)形成規(guī)律的最主要內(nèi)容和最主要途徑；焓、熵、自由能等熱力學(xué)概念似乎已經(jīng)不是材料研究的主要關(guān)注點(diǎn)。17一種誤解：62材料熱力學(xué)貫穿于材料研究的整個(gè)過程，無(wú)論是材料結(jié)構(gòu)、加工、服役及性能；現(xiàn)代材料科學(xué)的每一次進(jìn)步和發(fā)展都一直受到經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)的支撐和幫助。材料熱力學(xué)的形成和發(fā)展正是材料科學(xué)走向成熟的標(biāo)志之一。熱力學(xué)－常識(shí)！18材料熱力學(xué)貫穿于材料研究的整個(gè)過程，無(wú)論是材料結(jié)構(gòu)、加工63例說(shuō)：材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究目的和對(duì)象材料熱、動(dòng)力學(xué)的研究目的：從能量的角度研究材料科學(xué)中的問題。揭示材料中的相和組織的形成規(guī)律。材料熱、動(dòng)力學(xué)的主要研究對(duì)象：固態(tài)材料的熔化和凝固、固態(tài)相變、相平衡關(guān)系和相平衡成分、材料中顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性程度、相變的方向及計(jì)算相變時(shí)的驅(qū)動(dòng)能量等。19例說(shuō)：材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究目的和對(duì)象材料熱、動(dòng)力學(xué)的64材料設(shè)計(jì)的核心問題:根據(jù)已知材料成分，預(yù)測(cè)材料在平衡或接近平衡條件下將形成的組織結(jié)構(gòu)，然后推測(cè)其材料性能。材料成分-組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系要服從一個(gè)基本規(guī)則---材料熱力學(xué)。相圖是組元之間組成合金或者化合物時(shí)的平衡熱力學(xué)關(guān)系的表達(dá)，非平衡條件下的出現(xiàn)的相決定于動(dòng)力學(xué)條件。Fe-C相圖20材料設(shè)計(jì)的核心問題:根據(jù)已知材料成分，預(yù)測(cè)材料在平衡或65Fe-C合金的T--T--T動(dòng)力學(xué)曲線材料動(dòng)力學(xué)研究材料及其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)形成過程及其演變21Fe-C合金的T--T--T動(dòng)力學(xué)曲線材料動(dòng)力學(xué)研究材料666621珠光體馬氏體222221珠光體馬氏體67材料熱力學(xué)：根據(jù)能量準(zhǔn)則判斷某種結(jié)構(gòu)是否具有形成和存在的可能性；材料動(dòng)力學(xué)：告訴我們某種結(jié)構(gòu)如何形成，與溫度、冷卻速度等的關(guān)系。實(shí)際上，某種結(jié)構(gòu)的形成往往取決于熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件的共同作用。實(shí)例23材料熱力學(xué)：實(shí)例6868例1：石墨和金剛石--金剛石為亞穩(wěn)相，它是否最終會(huì)變成石墨，需要什么條件(熱力學(xué)條件還是動(dòng)力學(xué)條件)？材料的亞穩(wěn)相終將變成穩(wěn)定相嗎？2424例1：石墨和金剛石--金剛石為亞穩(wěn)相，它是否最終會(huì)6969例2：晶體和非晶體--非晶相最終會(huì)轉(zhuǎn)變(晶化)為晶體，需要什么條件(熱力學(xué)還是動(dòng)力學(xué)條件)？單質(zhì)金屬(Fe,Cu,Al等)能形成非晶嗎？為什么大塊非晶多采用多組元成分呢？2525例2：晶體和非晶體--非晶相最終會(huì)轉(zhuǎn)變(晶化)為晶體7070材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)－它們是相互依存的關(guān)系，二者共同決定材料的組織結(jié)構(gòu)和物理以及力學(xué)性能。材料穩(wěn)定態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)示意圖2626材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)－它們是相互依存的關(guān)系，二者共同決7171例3：TiAl合金的氧化--Al2O3比TiO2具有更負(fù)的生成焓，但是TiAl氧化的時(shí)候在合金的表面生成的是TiO2

而不是Al2O3，這取決于熱力學(xué)因素還是動(dòng)力學(xué)因素？2727例3：TiAl合金的氧化--Al2O3比TiO272啟示：1.如果你是高富帥或者白富美，你要及時(shí)行動(dòng)！2.如果你不是高富帥或白富美，你要及時(shí)行動(dòng)！為什么？你懂的！28啟示：7373例4：Co同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的尺寸效應(yīng)–從高溫冷卻時(shí)，從納米到微米尺度的Co顆?？稍谑覝乇３謥喎€(wěn)結(jié)構(gòu)(FCC)，而非穩(wěn)定的HCP結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)顆粒尺寸遠(yuǎn)大于10m時(shí)才可觀察到少量的HCP結(jié)構(gòu)。是熱力學(xué)因素還是動(dòng)力學(xué)因素決定的呢？2929例4：Co同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的尺寸效應(yīng)–從高溫冷卻時(shí)，從74材料熱力學(xué)的重要性及進(jìn)展材料熱力學(xué)是材料研究的重要基礎(chǔ)，它與“熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理”和“化學(xué)熱力學(xué)”鼎足而立，是材料科學(xué)中的一門重要基礎(chǔ)課程。美國(guó)麻省理工學(xué)院在60年代成立冶金及材料科學(xué)系，以后改名為材料科學(xué)與工程系的教學(xué)計(jì)劃中，材料熱力學(xué)是專業(yè)課的第一門課程。能熟練應(yīng)用材料熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論來(lái)分析問題和解決問題，是材料科學(xué)與工程專業(yè)研究人員應(yīng)該具有的能力和素質(zhì)。近年來(lái)，許多材料科學(xué)家將這門重要的基礎(chǔ)理論運(yùn)用到材料科學(xué)和工程的研究中，并取得重要進(jìn)展。30材料熱力學(xué)的重要性及進(jìn)展材料熱力學(xué)是材料研究的重要基礎(chǔ)，75C.P.Wang,X.J.Liu,I.OhnumaandK.Ishida,

Science,V.297(2002),p.990研究動(dòng)態(tài)－日本東北大學(xué)－將熱力學(xué)應(yīng)用于材料設(shè)計(jì)和研發(fā)在太空微重力的環(huán)境下，形成自包裹合金是可能的。日本東北大學(xué)的研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了在地球上制備卵型復(fù)合粉體的方法。(美國(guó)Chemical&EngineeringNews)31C.P.Wang,X.J.Liu,I.Ohnuma7676R.Kainuma,Y.Imano,Y.Sutou,H.Morito,S.Ok