西北工业大学刘峰教授团队：固态相变动力学模型与方法|刘峰(1963年)|固态相变动力学模型与方法|材料科学|热力学|西北工业大学

对成分/工艺-组织-性能的准确理解是金属材料科学与工程领域亟待解决的共性基础难题。对工业界而言，控制固态相变而提升力学性能是经济需求牵引的。对科学界而言，迫切需要精确描述相变，并且认识和理解控制相变的关键过程。依赖相变热力学和相变动力学来获取可靠的、非经验的加工参量，是物理冶金界发展的终极目标。

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，而相变能否发生也受控于原子跃迁穿过界面所需克服的动力学能垒。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，相变才会发生。世间万物，有因有果。热力学为因，动力学为路径，产物为果。材料学和材料加工工程，无外乎相变和变形。衡量其难度者，大概为稳定性。因此，热力学、动力学、相变、变形、稳定性，构成了材料学者面对的基本框架。如何用物理的手段来研究材料？如何将上述框架宏观统一，微观拆分？如何使不同学者、不同方向、不同兴趣的分散认知最终达成一致？

▲ 固态相变热力学驱动力与动力学能垒示意图

凝固、固态相变和晶粒长大是材料加工或形成微观组织的实战空间。感恩国内外三位导师(杨根仓、Mittemeijer E.J.、Kirchheim R.)分别在上述领域带我打下了坚实基础。然而，我不想分散处理，力争找到一个普遍规律和方法来统一处理。因此，提出修正热力学驱动力用于动力学过程，选择了修正和发展凝固、固态相变和晶粒长大的热力学驱动力，并用于描述其动力学过程。那么，能垒是什么？对于速率常数、移动性、扩散系数等，驱动力变化时它们的变化在哪里？能垒是不是势垒？上述关键问题起源于曾经和蒋青老师的一次争论。势垒是热力学，如层错能，再如应变能和表面能，而能垒是动力学，只有突破势垒，能垒才会体现出速率的不同。那么，二者究竟有何不同？

▲ 预退火非晶态Pd40Cu30P20Ni10 合金的等加热速率晶化过程。(a) DSC 测量得到的d(∆H)/dT = d(∆H)/Φdt 随温度T 的演化，实线为解析模型的拟合结果；(b) 转变分数f 随T的演化；(c) 利用可加性原理转变得到的TTT 图；(d) 总有效激活能Q 随转变分数f 的演化

在回答上述问题的过程中，有幸发现了热力学驱动力和动力学能垒互斥的相关性。十年光阴，带领十几位学生，团队发现真理的“第一桶金”就在于纳米晶的热稳定性。一通百通，在凝固、固态相变和变形中，许多问题陆续迎刃而解，一切都是那么美好。

二十年光阴不负韶华，究其根本，在于固态相变动力学理论模型与方法的提出和凝练。一直以来，在高性能金属材料制备过程中，基于固态相变原理的热处理技术是不可或缺的关键。形核—长大型固态相变往往发生在金属工件成形的最后工序中，从而决定了材料最终的物理、化学和力学性能。固态相变理论工作的中心任务是根据宏观动力学现象同基本物理过程(形核、生长和碰撞)之间的关系，建立成分/工艺-组织-性能之间的定量关系。在不同条件下，这些基本物理过程表现出的动力学行为不同，进而导致宏观的动力学现象复杂多样。因此，不依赖于经验正确预测并精确控制固态相变过程，获得最终预期的材料性能，已成为现代材料科学研究中极具挑战的前沿方向之一。

《固态相变动力学模型与方法》（刘峰, 宋韶杰著. 北京 : 科学出版社, 2024. 11）试图总结材料学和材料加工工程中面向精确控制固态相变行为的一些共性基础问题，以飨读者。

▲ 本书的基本逻辑路线

本书共7 章：概述和固态相变动力学理论基础(第1 章和第2 章)，等温相变与非等温相变(第3 章)，模块化解析相变模型及方法(第4 章)，模块化解析相变模型的扩展(第5 章)，扩散型固态相变解析模型(第6 章)，存在问题及展望(第7章)。其中，第1、4、7 章由刘峰撰写，第2、3 章由刘峰和宋韶杰撰写，第5 章由刘峰、宋韶杰、姜伊辉撰写，第6 章由刘峰、宋韶杰、樊凯、左强撰写，图表由宋韶杰、姜语鹏等绘制、修改并定稿。

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，成果丰硕。合著者宋韶杰副教授是刘峰教授团队的骨干成员，长期从事固态相变动力学的理论研究工作。他们将近年来自己取得的研究成果，结合对业界的最新认知，整理撰写成书。这对于学术界和教育界的相关领域，都是一件好事。正如该书所言，固态相变动力学模型与方法通过阐明形核、长大、碰撞，以及相变动力学演化过程，借助相关动力学参数的精确获取，旨在解决贯通材料学与材料加工工程的两方面重大基础性难题：一是基于整体加工过程的微观组织预测，二是面向目标组织性能的加工工艺设计。

魏炳波

中国科学院院士

2024 年3 月

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。本书的出版得到了西北工业大学精品学术著作培育项目的资助。

本文摘编自《固态相变动力学模型与方法》（刘峰, 宋韶杰著. 北京 : 科学出版社, 2024. 11）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-079787-2

祝洁，18629452164

罗瑶，18629426379

本书总结了金属材料加工成形中涉及的固态相变动力学模型及其方法的演化历史、阶段成果和存在的问题，旨在对固态相变动力学模型与方法进行全面系统地阐述，最终服务于贯通成分/工艺-组织-性能的共性理论或规律。

本书可供金属材料加工与强韧化设计等领域的科研、教学和工程技术人员阅读，也可作为材料科学与工程及相关专业研究生的参考书。

《相变热-动力学》

刘峰、黄林科著

ISBN 978-7-03-074522-4

北京：科学出版社，2023.11

（本文编辑：刘四旦）