第一章单组元相图及纯晶体的凝固

由一种元素或化合物构成的晶体称为单组元晶体或纯晶体，该体系称为单元系。对于纯晶体材料而言，随着温度和压力的变化，材料的组成相会发生变化。从一种相到另一种相的转变称为相变，由液相至固相的转变称为凝固。如果凝固后的固体为晶体，则又可称之为结晶；而不同固相之间的转变称为固态相变，由气相到固相的转变称为气-固相变，这些相变的规律可借助相图直观地表示出来。 单元系相图表示了在热力学平衡条件下，所存在的相与温度和压力之间的对应关系，理解这些关系有助于预测材料的性能。本章将从相平衡的热力学条件出发来理解相图中相平衡的变化规律。在这基础上，进一步讨论纯晶体的凝固热力学和动力学问题，以及内外因素对晶体生长形态的影响。

●1.1相平衡条件和相律

本节首先依据吉布斯自由能的展开形式，推导相平衡，即如果多相平衡则不同组元在各相中的自由能相等；继而在相平衡条件下，推导获得相律；最后讲述相律的作用和限制。相律是后续相图学习的重要检查工具。

●1.2晶体凝固的热力学条件

从热力学角度阐明了材料凝固的根本原因。根据热力学推导，可以清晰的看到要使材料凝固必然需要一个所谓的过冷度，且过冷程度越大凝固的驱动力越大。

●1.3均匀形核的能量变化和临界晶核

形核和长大是凝固过程的两个基本过程。本节介绍均匀形核过程，从热力学能量变化这一经典的材料学分析思路出发，推导阐明了形核需要一个临界尺寸，只有大于该尺寸方能有效形核；形核需要克服一定的能垒，即形核功；给出了临界尺寸和形核功与过冷度的定量关系。

●1.4非均匀形核

本节以均匀形核为基础，讲述了更为常见的非均匀形核。比较两种形核过程，可以清楚地看到非均匀形核的临界晶核体积更小，形核需要克服的形核功更小，故而从根本上解释了自然世界的凝固，包括金属凝固，为何多采用非均匀形核方式。

第二章二元系相图和合金的凝固与制备原理

在实际工业中，广泛使用的不是前述单组元材料，而是由二组元和多组元组成的多元系材料。多组元的加入使材料的凝固过程和凝固产物趋于复杂，这为材料性能的多变性及其选择提供了契机。在多元系中，二元系是最基本的，也是目前研究最充分的体系。二元系相图是研究二元系在热力学平衡条件下，相与温度、成分之间关系的有力工具。

●2.1固溶体自由能-成分曲线

固溶体相是二元合金中最常出现的相。固溶体自由能-成分曲线是理论推导二元相图的重要基础，它表示某种固溶体相在某一温度，自由能和成分变化的关系。本节首先介绍自由能与成分的函数关系，进而讨论改变参数对两者关系的影响规律及其背后的物理意义。

●2.2利用成分自由能曲线获得相图

基于相平衡条件及其衍生出的公切线原理，利用不同温度下的固溶体成分-自由能曲线即可获得二元相图。而利用杠杆法则则可计算两相混合区的各相占比。本节将详细介绍上述各种概念及其推导过程。

●2.3匀晶相图

二元匀晶相图是最简单的二元相图。本节主要学习凝固过程中液固两相成分和占比的演变规律，这是学习后续复杂相图的基础。

●2.4共晶相图

二元共晶相图是一类经典相图，学习该相图不仅具有实用意义，而且也是学习后续复杂相图的基础。本节着重分析二元共晶相图的特征点/线/区，并通过反复练习加深理解如何运用杠杆法则计算不同条件下相的成分和占比。

●2.5Fe-Fe3C相图分析

铁碳相图或铁铁三碳相图是最重要的二元相图之一，这是因为钢铁是过去、现在和可以预见的未来最重要的结构材料，同时铁碳相图本身包含多种特征相变反应但又不过于复杂，是学习二元相图的良好范本。本节详细介绍铁碳相图的所有特征点、线和区，包括其含义和所对应的成分和温度。

●2.6过共析钢凝固过程及其室温组织

本节依据铁碳相图，详细介绍过共析钢这一类钢的平衡凝固过程，以及凝固相/组织的成分和占比计算方法。通过本节内容的讲述，亦可加深理解相与组织的联系与区别。

●2.7二元合金的非平衡凝固

在实际生活中，合金凝固通常以非平衡而不是平衡方式进行。这主要是因为溶质在固相和液相中的分配各有特点，以及分配的速度皆远远低于液固相变的速度。本节理论分析了溶质分配的类型和影响因素，推导了不同冷速条件下固液两相中溶质分配的规律。

●2.8成分过冷

成分过冷描述的是合金凝固过程因溶质在液固界面液相侧分布的特殊性，造成在正温度梯度情况下，依然生长出明显的枝晶组织。本节依据前面所学的液相侧溶质分布方程，理论推导成分过冷的发生条件和影响因素。

第三章三元相图

工业上应用的金属材料往往是由两种以上组元构成的多元合金。由于第三组元或第四组元的加入，不仅引起组元间溶解度的改变，而且会因新组成相的出现导致组织转变过程和相图变得更加复杂，因此，为了更好地了解和掌握各种材料的成分、组织和性能之间的关系，除了二元相图，还须掌握三元甚至多元相图的知识。

●3.1三元固态无互溶共晶相图--面区分析

本节分析三元固态无互溶共晶相图的所有特征面和特征区。学好本节即可初步理解相对复杂的三维相图的构成规律。

●3.2三元固态无互溶共晶相图--投影图

投影图是三维三元相图的一种二维展示形式。本节通过对三元固态无互溶共晶相图的点、线、面和区向底面投影，学习投影图的获得方法，体会投影图形的意义。

●3.3三元固态无互溶共晶相图--凝固过程及组织

综合利用三维相图及其投影图，学习不同成分三元合金的凝固过程和组织演变。通过本节的学习，一方面需要掌握组织演变规律，另一方面加深理解相和组织两个概念的联系与区别。

●3.4三元固态无互溶共晶相图--垂直截面图

本节介绍两种三维相图的两种特征截面图，要求掌握三元固态无互溶共晶相图截面图的获取和验证方法。

第四章材料的亚稳态

亚稳态材料广泛存在，其数量甚至远远多于稳态材料。本章将学习多种重要的金属亚稳态材料，包括这些材料的定义、制备方法和其展现出来的机械性能。

●4.1纳米晶材料

纳米晶金属材料指的是平均晶粒尺寸小于100纳米的金属多晶材料。相比粗晶材料，这些材料具有超高的强度和一定的韧性。从工程应用角度，纳米晶材料有着广泛的应用前景；从科学探索角度，纳米晶材料有着特殊的组织结构和不同于粗晶的形变机制。基于此，本节将学习常见纳米晶材料的制备方法（如大塑性变形和非晶晶化）、力学性能（如超高的拉伸强度）以及变形过程中特有的形变机制（如晶界相关形变机制）。

●4.2非晶态材料

非晶金属材料，又称金属玻璃，具有完全不同于晶态材料的组织结构，是金属气体或液体以超快冷速凝固得来的固体材料。非晶金属材料因其特殊的组织结构，显示出极大的硬度和极小的室温塑性，其形变机制由于表征方法的限制而尚无定论。

●4.3固态相变--析出第二相及其强化效果

第二相析出是一种固态相变。析出的第二相颗粒可以有效地阻碍位错滑移，从而起到强化材料的作用。本节将学习第二相的析出过程，从中可以认识到这种固态相变的复杂性和多变性；将学习第二相颗粒阻碍位错运动的两种常见形式；也将学习时效处理，这一常见的利用第二相来强化材料的加工手段。

●4.4马氏体转变

马氏体转变是一种最有代表性的非扩散型固态相变。碳钢经淬火常可以形成马氏体，从而使得碳钢的机械性能发生很大改变。本节首先介绍非扩散型相变的基本特征，继而详细描述碳钢的两种马氏体的组织结构，及其对形变机制和机械性能的影响。