相变热–动力学：解决贯通材料学与材料加工学的重大基础性难题

生活中处理激情与困难间的关系并使之和谐，从而保证事情圆满完成，这是再普通不过的家常。然而，如何发现热力学驱动力与动力学能垒的关系并使之协调，从而控制相变的发生与发展，则刚被提出。

在通常接触的相变中，热力学驱动力提供相变的方向和动力，相变能否发生也受控于原子跃迁穿过界面所需要克服的动力学能垒。因此，相变中存在热力学驱动力和动力学能垒的配合与博弈，只有两者均得到满足时，相变才会发生。根据本书（《相变热-动力学》，刘峰、黄林科著. 北京：科学出版社，2023.11）作者提出的热力学驱动力与动力学能垒之间的定量关联，即热–动力学相关性可知，热力学驱动力的变化会引起动力学能垒的改变，两者间存在一定的函数关系。如何理解、发现并证明该函数关系是非常具有挑战性的课题，同时也说明其意义重大。如果可以在人文社会中找到同该科学理论相呼应的事实或现象，对理解上述关系无疑是莫大的支持。

▲ 相变中热力学驱动力和动力学能垒间互斥关系的示意图

立足于热力学和动力学研究相变，究其根本，在于追求科学的朴实和普适性。从人文社会中捕捉科学道理，将科学道理用于解释人文社会，这就是科学与人文的统一。人们做事情的激情对应于相变发生所需的热力学驱动力。激情高涨说明做事情的决心和信心很大，不需要动员便能众志成城。激情对应于热力学驱动力，说明这是一个状态量，取决于已经具备的条件，并体现出主体的主观意志。同理，人们做事情需要解决的困难对应于相变发生所需克服的动力学能垒。激情高涨但困难解决不了，事情还是做不成。困难对应于动力学能垒，说明这是一个过程量，它取决于事情发生的具体途径，并体现出客观条件的即时变化。激情与困难的博弈体现出事情发展过程中的本征规律，可以总结为激情高，做事情遇到的困难就会相对减少。看似形而上学，实则有其科学道理。例如，说某人雷厉风行，指的是他做事有激情，那么行事过程中相对难度就小，干得就快；说某人拖沓磨叽，指的是他做事没有激情，那么行事过程中相对难度就大，干得就慢。大家同仇敌忾，那么人心涣散可能带来的困难就会消失。“人心齐，泰山移” 说的就是这个道理。我国“两弹一星” 的实现是该科学规律人文精华的至高体现。

▲ Fe 基合金γ → α 相变中组织结构演化示意图

从激情与困难的逻辑关系中，可以引申出热力学驱动力与动力学能垒的相关性，即在相变过程中，热力学驱动力的提高总是对应动力学能垒的降低，反之亦然。大量的实验及理论结果均表明，在体系演化中，随热力学驱动力增大(减小)，体系转变的动力学能垒减小(增大)，反之亦然。非平衡凝固中，随过冷度(热力学驱动力) 提高，凝固速率增大，溶质扩散(动力学能垒较大) 被抑制而热扩散(动力学能垒较小) 逐渐占据主导。凝固过程的有效动力学能垒随热力学驱动力提高而逐渐降低。固态相变过程中存在界面控制和体积扩散控制的竞争。例如，在Fe-C合金的奥氏体(γ) → 铁素体(α) 相变中，随冷速增大，热力学驱动力提高，相变由动力学能垒较大的体积扩散控制逐渐转变为能垒较小的界面控制。

▲ 非等温相变中热–动力学多样性

金属热加工通过相变决定材料的最终组织和性能。随着非平衡技术的快速发展，热加工工艺趋于极端化和多样化，控制相变的热力学与动力学机制从简单近平衡条件下的相对独立转变为复杂远平衡条件下的高度关联。基于热–动力学独立处理的传统理论，已无法应对上述相变涉及的机理描述、组织预测和过程控制，这已成为高端制造业迫切需要解决的关键问题，也给金属材料非平衡相变研究带来挑战和机遇。热力学体现相变的驱动力，从而促进相变发生，动力学虽然表现为相变速率，但由于受控于动力学能垒而实际体现相变的阻力。正是驱动力和阻力的各自变化，以及两者间的协调，才使相变路径、相变产物及其形态发生千变万化。但是，热力学驱动力和动力学能垒的各自变化，热力学驱动力和动力学能垒之间及其同微观组织间的理论关联，以及热力学驱动力、动力学能垒同力学性能的理论关联，始终悬而未决。本书把上述三个问题定义为热–动力学的多样性、相关性和贯通性。

▲ 基于热力学-动力学协同的材料设计理念

相变热–动力学通过阐明热–动力学多样性、相关性和贯通性，解决一个材料学科基础性难题：如何基于整体加工过程预测微观组织并设计出面向目标组织及性能的加工工艺。材料加工调控组织，进而决定随后的变形机理和力学性能；以微观组织为纽带，如果可以得到材料加工涉及相变的热力学和动力学同微观组织及其力学性能(或变形机理) 之间的关联，那么便可以对成分和加工工艺进行有针对性的设计，即通过相变调控从而更大程度提高材料力学性能。

纵览世界科学史，可以感知，在自然科学上已经获益但尚不知缘由时，我们在人文生活中往往早已轻车熟路，游刃有余。生活中处理激情与困难间的关系并使之和谐，从而保证事情圆满完成，这是再普通不过的家常。然而，如何发现热力学驱动力与动力学能垒的关系并使之协调，从而控制相变的发生与发展，则刚被提出。这就是科学规律的魅力，尽管人类早已经从该规律获益，其原理却不得而知。提出能够贯通成分/工艺–组织–性能的普遍理论或规律，对当前的学术界依旧是巨大的难题。正是在对自然界敬畏和对自然规律渴求的执着心态下，《相变热-动力学》试图总结材料学和材料加工学中的一些共性基础问题，以飨读者。

▲ 本书主要内容及其相关性

能否统一科学与工程？

统一的道路很多，业界为此付出巨大的努力，很多耳熟能详的工作其实归属于统一的范畴，如某种组织针对某种性能提高，于是加工过程中尤其注意改善形成该组织的工艺等。这些方法多种多样，但大都不成体系，不够定量，过于就事论事。事实上，成分和工艺涉及相变和变形，从热力学和动力学而言，相变和变形可以统一为：热力学驱动力驱动下的动力学行为，前者是原子扩散或原子的整体位移，后者是原子在层面间的几个原子间距或小于一个原子间距的切变。只有从热力学和动力学出发，才有可能发现材料学和材料加工学中贯通成分/工艺–组织–性能的普遍理论或规律。

《相变热-动力学》作者刘峰教授是西北工业大学凝固技术国家重点实验室的骨干学科带头人，二十余年来，专注于凝固与相变热力学和动力学的基础理论研究工作，成果丰厚。作者将近年来取得的成果，结合业界的发展，整理撰写成书，这对于相关的学术界和教育界，都是一件好事。正如该书所言，通过相变热–动力学阐明热–动力学多样性、热–动力学相关性和热–动力学贯通性，旨在解决贯通材料学与材料加工学的重大基础性难题：基于整体加工过程的微观组织预测和面向目标组织与性能的加工工艺设计。

蒋青 吉林大学

2022 年10 月12 日

本书相关研究工作得到了国家杰出青年科学基金项目(51125002)、国家自然科学基金重点项目和重大项目(52130110，51431008，51790481)，科技部“973” 计划项目(2011CB610403)、国家重点研发计划项目(2017YFB0703001) 等资助，在此对国家有关部门长期以来的大力支持表示衷心感谢。本书撰写过程中得到吉林大学蒋青教授、西北工业大学介万奇教授等专家学者的大力支持，在此深表谢意。

本书的出版得到国家科学技术学术著作出版基金和西北工业大学精品学术著作培育项目的共同资助。

本文摘编自《相变热-动力学》（刘峰，黄林科著. 北京：科学出版社，2023.11）一书“前言”“序”，有删减修改， 标题为编者所加。

《相变热-动力学》作者团队简介

刘峰，西北工业大学教授，中国科协第九届全国委员会委员。国家杰出青年科学基金获得者，国家级领军人才，“百千万人才”工程国家级人选，中国青年科技奖获得者，中青年科技创新领军人才，国务院政府特殊人才津贴专家。获得陕西省科学技术一等奖(2011)和教育部自然科学一等奖(2019)。发表SCI论文300余篇，包括“International Materials Reviews”综述3篇，金属材料顶级期刊Acta Materialia论文40余篇；担任Journal of Materials Sciences and Technology和《自然科学进展》编委。

黄林科，西北工业大学材料学院准聘教授。研究领域为先进钢铁材料相变和变形机制。在Acta Materialia、Journal of Materials Sciences and Technology、Scripta Materialia等期刊发表论文20余篇,主持国家自然科学基金面上、青年基金等项目6项; 2019年选“香江学者计划”；《金属学报（英文版）》青年编委。

刘峰教授领衔的西北工业大学快速凝固与亚稳材料研究团队，是凝固技术国家重点实验室的骨干研究团队，也是第一届“陕西省重点科技创新团队”。团队科学研究始终结合国家重大战略发展需求，聚焦于材料科学与工程领域的基础理论前沿问题；近年来，围绕“非平衡相变过程控制技术及其组织形成理论”研究方向，在大体积液态金属深过冷快速凝固、非平衡凝固理论、固态相变动力学、非平衡凝固和固态相变一体化、相变热-动力学协同以及组织调控和性能设计等领域具有鲜明研究特色和明显优势，取得了一系列突破性科研成果。

ISBN 978-7-03-074522-4

责任编辑: 祝洁，18628452164

在我国制造业从数量扩张向质量提高转型的历史时期，对成分/工艺-组织-性能的精确定量理解成为金属材料科学与工程领域亟待解决的共性、基础性难题。本书立足于热力学和动力学，总结材料学和材料加工学中贯通成分/工艺-组织-性能的共性理论或规律，旨在用非平衡态热力学实现“将热力学应用于非平衡动力学过程”的目标。通过阐明热-动力学多样性、热-动力学相关性和热-动力学贯通性，解决贯通材料学与材料加工学的重大基础性难题——基于整体加工过程的微观组织预测和面向目标组织与性能的加工工艺设计。

本书可供金属材料加工与强韧化设计领域的科研、教学和工程技术人员阅读，也可作为材料科学及相关专业师生的参考书。

（本文编辑：刘四旦）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品位

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学