固态相变动力学及晶体学_郭正洪编著.pdf

上海交通大学“致远荣誉计划”教材固态相变动力学及晶体学郭正洪 编著内容简介本书主要介绍固态相变动力学及晶体学的基本原理和现代进展。前三章为固态相变的普及性内容,是阅读后续章节的基础知识。中间五章是相变动力学的核心内容,分别阐述动力学的基本理论、均匀相变和非均匀相变的动力学特征。最后一章是相变晶体学,通过矩阵代数对马氏体和扩散型相变晶体学模型及研究进展进行了归纳。本书可作为材料学专业的研究生教材,也可供本专业和相关专业的师生及科技人员参考。图书在版编目(C I P)数据 固态相变动力学及晶体学/郭正洪编著.上海：上海交通大学出版社,2 0 1 9 I S B N9 7 8-7-3 1 3-2 0 8 9 7-2.固.郭.晶体学.0 7 中国版本图书馆C I P数据核字(2 0 1 9)第0 2 3 7 5 8号固态相变动力学及晶体学编 著：郭正洪出版发行：上海交通大学出版社 地 址：上海市番禺路9 5 1号邮政编码：2 0 0 0 3 0电 话：6 4 0 7 1 2 0 8印 制：上海万卷印刷股份有限公司经 销：全国新华书店开 本：7 8 7 mm1 0 9 2 mm1/1 6印 张：1 3字 数：2 8 5千字版 次：2 0 1 9年4月第1版 印 次：2 0 1 9年4月第1次印刷书 号：I S B N9 7 8-7-3 1 3-2 0 8 9 7-2/O定 价：3 6.0 0元版权所有 侵权必究告读者：如发现本书有印装质量问题请与印刷厂质量科联系联系电话：0 2 1-5 6 9 2 8 1 7 8序 相变是改变材料性能的重要途径。固态相变的研究涉及热力学、动力学和晶体学。相变热力学可预测相变的方向和相变的产物；相变动力学可预测相变的过程；而相变晶体学可预测母相与相变产物之间的晶体学取向关系以及相变产物可能的形貌。因此,固态相变的研究对于新材料成分和工艺的设计具有重要的理论指导意义。自从徐祖耀院士在国内首倡材料的热力学研究以来,这一领域的研究得到了蓬勃发展,并硕果累累。他撰写的 金属材料热力学 于1 9 8 1年由科学出版社出版,至今已成为国内教材中的经典。随后,国内学者对材料热力学进行了大量的研究,并诞生了一批优秀的教材和专著。然而,材料固态相变的动力学和晶体学研究相对滞后,尽管在有关固态相变和热处理的教材中有所涉及,但体系性较差。郭正洪老师正是鉴于此,总结了七年来为硕士研究生讲授“相变原理”的体会,在参阅了多本国内外专著和教材的基础上,结合科研工作中积累的心得,编著了 固态相变动力学及晶体学 一书。在初读该文稿后,我深感：章节内容编排有独到之处,注重相变动力学和晶体学的物理概念和相关的数学推导,呈现出很强的可读性；其作为研究生的教材填补了国内空白,对增强研究生的固态相变知识将起积极的推动作用。在定稿前,我曾建议融入清华大学张文征教授团队在相变晶体学和西北工业大学刘峰教授团队在热力学/动力学相关方面的理论研究成果。在张文征教授的悉心指导下,他在本书第9章相变晶体学中增加了 基于O点阵理论的倒易空间界面分析 和 奇异性界面判据 二节；在第8章相变动力学中增加了 解析相变模型 一节和其他一些论述,相关内容随后得到刘峰教授的首肯和指正。由于这些理论成果均被国际学者认可和应用,非常适合作为教材的内容。增补部分使教材的知识结构更上了一个台阶,同时体现知识的前沿性。郭正洪老师师从徐祖耀院士,博士学位论文的题目是F e-M n-S i合金中f c c-h c p马氏体相变的机制及其形状记忆效应,博士毕业后经徐先生推荐去日本京都大学牧正志(T a d a s h iM a k i)教授团队从事钢中的珠光体相变研究,为期一年半。随后回国留校任职,在徐祖耀院士重建的“相变理论及其应用”课题组,长期关注相变理论中的动力学和晶体学。徐先生生前多次提及我国相变动力学和晶体学的研究欠缺,应加强这方面的工作及尽快出版相关的研究生教材,并对郭正洪寄予厚望。郭正洪将徐先生的鼓励铭记心中,并以此为动力,藉十年的积累,厚积薄发,终成书稿,由此告慰九泉之下的徐先生。在该书付梓之前,郭正洪邀请我为此书写序,我深感不安,如果徐先生在世,“序”无疑当由先生着墨,无人可代。先生西去,作为当时课题组组长的我,在不安中又深感责无旁贷。上面的论述是本人的读后感,是否能正确描述该书的特点和固态相变动力学和晶体学的重要性,由读者评定,重要的是,为此书写“序”也算对徐先生遗憾中的一种弥补。戎咏华2 0 1 8.6.1 0前 言“固态相变”或“相变原理”是材料学专业研究生的传统必修课。近十年来,教学体系改革使授课内容有了极大改变,从以往由经典热力学作为主要契入点的教学模式逐渐增强动力学元素,这在国外著名大学尤其显著,如麻省理工学院、乔治亚理工、加州伯克利和北卡罗莱纳州立大学等均在相关课程名称中直接引入“K i n e t i c s”或“D y n a m i c s”一词,在教学大纲和教案中对显微组织的演化规律着墨较多。但是,由于这一变革时间较短,各校间如何讲授课程没有形成大致统一的标准：首先是课程名称不统一,如K i n e t i c so fP h a s eT r a n s f o r m a t i o n s(乔治亚理工)、P h a s eT r a n s f o r m a t i o na n dK i n e t i c s(加州伯克利)、K i n e t i cP r o c e s s e s i nM a-t e r i a l s(麻省理工)等,从中可以看出各校对动力学在材料学专业教学中的地位评判不一；其次是课程大纲不统一,如麻省理工起点较高,教学内容涵盖扩散、位错、界面和相变等四个领域,教案靠近固体物理专业,听课学生须有更扎实的数学基础。而乔治亚理工的教案则近于传统的固态相变理论。自2 1世纪初,先师徐祖耀院士就敏锐地察觉到传统教学存在变革趋势,开始倡议国内教授材料动力学方面的内容。他认为固态相变本身就包含丰富的动力学信息,并涉及扩散、位错、界面等其他三个方面的知识,综合性较强,可先行先试,为构建材料动力学课程体系提供实践经验。同时,他提出晶体学通过相变时晶体结构的变化过程,揭示相变的物理本质,因此相变晶体学是相变机制的核心部分,不能有所忽略或偏废。作为他的学生,自八年前接手本学院“相变原理”一课以来,谨遵先生教诲,不断修改完善教案,尽量从庞杂的固态相变知识体系中整理一条主线,在强调物理概念的基础上,适当增加数学推导,着重探讨显微组织演化的共性规律。去年,承蒙学院列入资助研究生教材出版的对象,于是决定整理归纳,纂录成书,既为未来教学提供一本教材,也能系统化自身的知识体系。本书的内容安排如下：首先对本科教材涉及的典型固态相变要点进行了总结,并述及新近出现的与结构稳定性和相变相关的非晶材料、纳米材料和准晶材料的研究进展(第1章),然后在相变的分类一章(第2章)增加了不同相变类型的共性特征描述,以及与相变相关的界面现象论述(第3章)。在此基础上逐渐进入动力学范围,先通过不可逆过程热力学,利用唯象热力学理论推导动力学方程(第4章),然后用调幅分解和有序化作为例子,具体分析均匀相变动力学的特征及扩展到相场模型(第5章)。而对于非均匀相变,则按相变顺序对形核(第6章)、生长(第7章)和动力学形式理论(第8章)分章节详细归纳,不囿于具体相变的机制,而是抽取共同特征,重点强调驱动力作用下显微组织随时间和温度的变化过程,揭示相变机制普遍性的规律。同时,也有意识引入新成果,如形核的软模理论和动力学形式理论的时间锥理论等。在最后一章(第9章)关于晶体学的部分,从基础的晶体几何表述开始,不局限于马氏体相变晶体学,增加扩散相变的主要理论不变线应变和基于O点阵模型提出的奇异性判据。这样的顺序,希望从总结本科阶段的知识开始,循序渐进进入固态相变动力学和晶体学的知识体系,并扩展到近代物理模型,使学生能对相变“动态进程”的理解更为扎实。为便于学习参考,附录对书中涉及的专业名词提供了中英文对照。书中涉及的知识体系不是新的,只是作者对已有成果和新的进展进行了总结。为保持全书逻辑顺序和叙述方式的统一,在参阅大量资料的基础上,对某些物理概念进行了改写归纳,部分加入了作者的评述。书中也引用较多数学公式。为平衡物理概念与数学推导,笔者慎重取舍,尽量把握难易程度,推导了本书所采用的数学公式。对部分原文中的公式做了简化和符号改写,既保证符号的统一,也希望尽量以标量或一维空间中的解直观反映对应的物理概念。由于时间有限,某些公式中肯定还存在错误。笔者在多年讲授课程和成书过程中得到不少专家学者和同行好友赐予资料,如清华大学的张文征和杨志刚教授、华南理工大学的罗承萍和刘江文教授、大连理工大学的叶飞教授、北京航空航天大学的赵新青教授、西北工业大学的刘峰教授和吉林大学的蒋青教授等；多年前上海材料研究所的陆明炯教授在德文资料的翻译方面给予了帮助；孙端君博士对全书的图表进行了重新制作；上海交通大学材料科学与工程学院对本书的写作和出版给予了大力支持和经济资助,在此一并表示衷心的感谢。本书的写作是一种新的尝试,由于水平有限,书中不当之处在所难免,还望诸位方家给予批评指正。2固态相变动力学及晶体学目 录第1章 相变概述1 1.1 母相的失稳与相变1 1.1.1 母相失稳的热力学条件1 1.1.2 过渡相与平衡相的形成3 1.2 典型扩散相变的特征4 1.2.1 脱溶沉淀4 1.2.2 共析分解6 1.2.3 块状相变7 1.2.4 调幅分解8 1.2.5 奥氏体化9 1.3 马氏体相变的特征1 1 1.3.1 马氏体相变的晶体学特征1 2 1.3.2 马氏体相变能量学1 6 1.3.3 形状记忆效应1 7 1.4 新型材料的相变1 8 1.4.1 非晶的晶化1 8 1.4.2 纳米材料的相变1 9 1.4.3 准晶的热稳定性2 1第2章 相变的分类与特征2 3 2.1 相变按热力学分类2 3 2.1.1 体系的热力学函数2 3 2.1.2 一级相变与高级相变2 4 2.1.3 相变的热力学关系式2 6 2.2 一级相变按原子迁移方式分类2 7 2.2.1 重构(扩散)型和位移型(无扩散型)相变2 7 2.2.2 重构型相变的分类和特征2 8 2.2.3 位移型相变的分类和特征2 9 2.3 一级相变按动力学分类3 2 2.3.1 稳定和不稳定的成分-自由能曲线3 2 2.3.2 G i b b s定义的两类相变3 3 2.4 一级相变的简明分类3 4第3章 界面现象3 5 3.1 两相界面结构3 5 3.1.1 相界面的错配度模型3 5 3.1.2 共格的丧失3 7 3.1.3 滑移型界面3 8 3.2 界面能的计算3 9 3.2.1 共格界面能的离散点阵模型3 9 3.2.2 共格界面能的连续模型4 4 3.2.3 半共格界面能的结构分量4 6 3.2.4 非共格界面的界面能4 7 3.2.5 界面能的各向异性4 7 3.3 界面的曲率效应4 9 3.3.1 G i b b s-T h o m s o n效应4 9 3.3.2 沉淀相熟化5 1 3.3.3 其他显微组织的熟化5 5第4章 相变动力学基础5 7 4.1 不可逆过程热力学5 7 4.1.1 建构动力学理论的热力学基础5 7 4.1.2 熵和熵产5 8 4.1.3 线性不可逆过程热力学6 1 4.1.4 约束条件下广延量的力-流关系6 2 4.2 相变的共同特征6 3 4.2.1 序参量6 3 4.2.2 自由能变化与序参量的关系6 7 4.3 L a n d a u热力学与固态相变6 8 4.3.1 二级相变的L a n d a u热力学理论6 8 4.3.2 L a u d a u理论与一级相变7 1 4.3.3 相变动力学方程的推导7 4第5章 调幅分解和有序化7 6 5.1 均匀相变的共同特征7 6 5.1.1 广义扩散方程7 6 5.1.2 非均匀系统的自由能7 8 5.1.3 弥散界面的结构和能量7 9 5.2 均匀相变的