【现货速发】材料热力学

前言

我与蒋敏、李洪晓编著的《材料热力学》第二版在2010年9月由化学工业出版社出版之后，至今已超过10年了。累计总印数已近两万册，这大大超出了我们初的估计。承蒙各兄弟院校的厚爱与信任，使我们收获了这么多读者。很多读者群体都是久负盛名的诸大学研究生院的材料学科研究生，这令我们兴奋不已。回想初版时，出版社让我估计印刷册数，我按二十世纪六十年代科技书籍的通常印数，大着胆子只预估了2000册。如今想起，不禁对我国材料学科的本科生和研究生教育的飞速发展，感慨系之。

我已退休多年，这次出版社建议在第二版基础上再次修订，我征求了另外两位作者的意见，她们都欣然同意。她们是我校使用本书教学的主要实践者，这期间由李洪晓主导编著的《材料热力学习题与解答》（化学工业出版社，2011年）出版后，发挥了良好的教学辅助作用。蒋、李二君都希望利用这次再版机会，进一步改进书稿的表达质量，并回应在教学中读者们提出的宝贵意见和建议。不过，对全书的整体格局和内容却没有作较大变动。因为作为材料学科的基础内容，并没感到有变动的必要。如果有些读者，想进一步探讨其他问题时，我们建议阅读化学工业出版社2006年9月出版的《微观组织热力学》一书（日本东北大学西泽泰二著，郝士明译）。该书有日文、中文、英文三种文本，颇受欢迎。中南大学的金展鹏院士对他的研究生们也有过类似的建议。

在第三版中主要对各章的文字表达，以及各章读者们的反馈意见做了认真处理，对导读也有所改动。全书的大小修订之处，共计涉及95页，已接近全书的三分之一，态度之认真可见一斑。考虑到在材料设计与研发方面，近年来国际国内出现了重大举措，本书在第10章中为此增加了1节（10.4节材料基因组工程简介），以使读者能够对相关研究趋势有一些初步的了解和认识。

谨识于新冠疫情中

郝士明

2020年8月

铁晶画屋

版前言

材料学的核心问题是求得材料成分-组织结构-各种性能之间的关系。问题的前半部分，即材料成分-组织结构的关系要服从一个基本的科学规则，这个规则就是材料热力学。在材料的研究逐渐由“尝试法”走向“定量设计”的今天，材料热力学的学习尤其显得更加重要。虽然在本书中不一定能找到设计某种特定材料的具体答案，但它会让读者了解到任何材料设计者都必须懂得的知识。

本书是以作者多年为东北大学、中科院金属研究所、钢铁研究总院的材料类硕士研究生讲授“合金热力学”“材料热力学”的讲稿为基础整理而成的。讲稿的大部分内容还在沈阳工业大学试用过。由于各单位的学时不同, 对课程的要求又时有变化，以致经多年的演变，自然形成了现在的内容结构。由于感到它大体反映了作者对近二十年材料热力学发展的认识与理解，也由于作者认为各大学的同类课程可以保留一些自己的特点，所以这次整理基本上保持了原貌。

本书没有专辟章节介绍热力学的基本规律，而把内容的重点放在应用这些规律于材料学问题的研究分析上。这一方面是尽可能为应用问题腾出必要的篇幅，另一方面也由于已经有很多涉及化学热力学内容的优秀著作，使作者感到在介绍这些规律上难有作为。因此便只将这些著作列于每章之末，以便读者必要时参阅。

作者是材料工作者，讲授“材料热力学”的过程也正是作者学习热力学方法，并将其应用于研究工作实践的过程，所以本书可能会带上一些特有的色彩和局限。希望读者在阅读时，既能注意从中汲取有益的经验，又能限度地免受作者局限性的束缚。因为至少在内容的取舍上，作者没有面面俱到，而更重视知识的系统性和连贯性。

对于不同的读者或讲授者，作者建议可以选择不同的章节。不一定要从头到尾全部通读，特别是第8、第9、第10三章可以根据需要取舍。作者根据材料热力学课程设置的初衷，结合自己的学习和体会尽量编入了一定数量的与新材料研究有关的例题和习题，供读者练习与思考。在本书的写作过程中，注意了对例题和课文讲解的细化，以尽量适应读者的自学。所以，即使学时不多或者希望完全自学时，只要有一定物理化学的知识基础，本书的全部内容都适于作为自学教材。

本书的出版受到东北大学研究生院教材建设基金和材料与冶金学院的积极支持和鼓励，谨在此表示衷心的谢意。由于作者学识所限，加之成书仓促，疏漏之处，料难避免，敬祈读者与专家不吝赐教。

作者识于东北大学铁晶画屋

二○○三年八月

第二版前言

《材料热力学》的版于2004年1月由化学工业出版社出版，并于2005年1月进行了第2次印刷。本书是该书的修订第二版。

于2005年将此书确定为全国研究生教材。出版6年多来，承蒙各方面厚爱，本书获得了诸多读者的认可。国内很多名校的材料类学科选用本书作为研究生教材或本科高年级学生的主要参考书。互联网上还有本人制作的本书讲课用课件在流传，受到读者的相互。经过阅读和传播，既肯定了本书的主要内容和特点，也暴露了若干不足和缺陷。此次化学工业出版社决定再版本书，给修改其缺陷、弥补其不足，使其进一步得以完善提供了一个很好的机会。

本书的再版有两位新作者加入：蒋敏和李洪晓。她们之中一位有材料热力学研究的多方面经历，一位有使用本书进行材料热力学教学的丰富经验，使此次再版的质量提高有了切实保障。本次再版在基本保持本书原有选材特色和尽量方便自学的基础上，对第8章和第10章做了较大的修改，以适应这些领域的快速发展；对所有插图和习题进行了梳理；在每章前增加了导读提示，以使本书进一步有利于自学。我们还准备在近期由化学工业出版社另出一册以本书读者为主要对象的《材料热力学习题与解答》，也希望得到大家的帮助。

厦门大学的王翠萍教授等对本书的修订提出了宝贵意见，在此谨致谢忱。也希望广大读者和海内外专家一如既往地给予本书以关注和批评，以使本书质量能在大家的关怀下得以不断提高。

郝士明谨识

2010.3

铁晶画屋

本书重点介绍了经典热力学和统计热力学理论在揭示材料中的相和组织形成规律方面的应用，注意通过具体的材料问题实例来使读者理解和掌握热力学的基本规律，吸引读者对热力学原理产生兴趣。全书共分10章，第1至第7章是基本内容，由浅入深地介绍了单组元系、二组元系和三组元以上的多组元材料中相的形成规律和相平衡问题，以及相变热力学和重要的溶体分析模型。第8到第10章的集团变分法，亚稳、局域等次级相平衡以及材料设计与热力学等内容供读者根据需要选学。本书知识自成体系而且特色鲜明，包含类型广泛的材料学研究的实际问题和习题。书后列有英文和中文索引，可方便读者检索查阅。

本书可作高等院校材料科学与工程、材料加工与成型等专业高年级本科生和研究生的教学用书，也可供材料、冶金、机械等相关领域的科技人员阅读与参考。

本书重点介绍了经典热力学和统计热力学理论在揭示材料中的相和组织形成规律方面的应用，注意通过具体的材料问题实例来使读者理解和掌握热力学的基本规律，吸引读者对热力学原理产生兴趣。全书共分10章，第1至第7章是基本内容，由浅入深地介绍了单组元系、二组元系和三组元以上的多组元材料中相的形成规律和相平衡问题，以及相变热力学和重要的溶体分析模型。第8到第10章的集团变分法，亚稳、局域等次级相平衡以及材料设计与热力学等内容供读者根据需要选学。本书知识自成体系而且特色鲜明，包含类型广泛的材料学研究的实际问题和习题。书后列有英文和中文索引，可方便读者检索查阅。

本书可作高等院校材料科学与工程、材料加工与成型等专业高年级本科生和研究生的教学用书，也可供材料、冶金、机械等相关领域的科技人员阅读与参考。

  郝士明，东北大学，教授、博导，1962年毕业于东北工学院（今东北大学）金属学及热处理专业并留校，1980年赴日本东北大学金属材料学科留学，1982年获得该大学的工学博士学位后回国。

1983年起被东北大学聘为副教授、教授。1987～1996年任该大学材料科学与工程系主任。1993年起任博士生指导教师。1996～1998年任材料与冶金学院院长。 1983年起为东北大学的研究生讲授《合金设计与合金热力学》；并应邀为中科院金属研究所、中科院腐蚀与防护研究所、冶金部钢铁研究总院的博士生和硕士生讲授《合金热力学》8年。 从1983年起，共完成国家科委、国防科工委、国家自然科学基金等科研项目12项，获得国家自然科学基金支持7次。

主要学术成就有：从热力学理论和实验研究两方面揭示了有序－无序转变对合金相平衡的重要影响，获国家*科技进步（甲类）二等奖（1988）和三等奖（1995）； 对高淬透性材料的淬透性表征和模具材料的表面处理等方面的研究有独特贡献，获辽宁省科技进步一等奖（1987）和二等奖（1988），黑龙江省科技进步二等奖（1997）；对TiAl金属间化合物的相平衡和组织控制进行了系统的研究；关于合金钢的CD渗碳表面处理进行了富有开拓性的研究，这些成果获得了国内外同行专家的关注、引用和好评。

在国内外刊物上发表论文150余篇。在冶金工业出版社、航空工业出版社、化学工业出版社等出版著作5部。

前言

版前言

第二版前言

绪论 1

1  单组元材料的热力学 3

1.1  引论 3

1.2  Gibbs自由能 4

1.3  相变的体积效应 6

1.4  热容 11

1.5  由热容计算自由能 16

1.6  单元材料的两相平衡 22

1.7  Gibbs-Helmholtz方程 28

1.8  磁性转变的自由能 31

第1章推荐读物 37

习题 37

2  二组元相 39

2.1  理想溶体近似 39

2.2  正规溶体近似 42

2.3  溶体的性质 45

2.4  混合物的自由能 46

2.5  亚正规溶体模型 50

2.6  化学势与活度 52

2.6.1  化学势 52

2.6.2  化学势与自由能-成分图（Gm-X图） 54

2.6.3  活度 56

2.7  化合物相 62

习题 65

3  二组元材料的热力学 67

3.1  两相平衡 67

3.2  固-液两相平衡 68

3.3  溶解度曲线 76

3.3.1  第二相为纯组元时的溶解度 76

3.3.2  第二相为化合物时的溶解度 78

3.4  固溶体间的相平衡 81

3.5  相稳定化参数 83

第2、3章推荐读物 89

习题 89

4  两个重要的溶体模型 91

4.1  Bragg-Williams近似 91

4.1.1  固溶体的成分与有序度 92

4.1.2  混合熵与内能 94

4.1.3  自由能 97

4.1.4  合作现象 99

4.2  双亚点阵模型 101

4.2.1  成分描述 102

4.2.2  混合熵 104

4.2.3  过剩自由能 105

4.2.4  摩尔自由能 106

4.2.5  化学势及活度 106

第4章推荐读物 110

习题 111

5  相变热力学 112

5.1  无扩散相变 112

5.1.1  相变驱动力 112

5.1.2  T0线 114

5.1.3  马氏体点 115

5.2  固溶体的分解 118

5.2.1  固溶体自由能曲线的分析 118

5.2.2  亚稳固溶体的分解 119

5.3  第二相析出 121

5.4  析出相的表面张力效应 123

5.4.1  表面张力与附加压力 123

5.4.2  表面张力与溶解度 125

5.5  二级相变 128

5.5.1  相变的热力学特征 128

5.5.2  固溶体的磁性转变自由能 132

5.5.3  有序-无序转变的自由能 135

5.6  二级相变对相平衡的影响 138

5.6.1  对溶解度曲线的影响 138

5.6.2  对溶解度间隙的影响 140

5.7  晶间偏析 145

第5章推荐读物 147

习题 148

6  多组元相 149

6.1  正规溶体近似 151

6.2  化合物相 156

6.2.1  线性化合物 (A,B)aCc 156

6.2.2  互易相（互易化合物、互易固溶体） 158

6.3  代位-间隙式固溶体 163

6.4  二级相变自由能 169

6.4.1  磁性转变自由能 169

6.4.2  有序-无序转变自由能 170

7  多元材料热力学 174

7.1  三元系中的两相平衡 174

7.2  固溶体与线性化合物的平衡 175

7.3  两个线性化合物之间的平衡 178

7.4  固溶体与化学计量比化合物的平衡 180

7.5  固溶体之间的相平衡 189

7.5.1  稀溶体之间的相平衡 189

7.5.2  非稀溶体之间的相平衡 191

7.6  两相平衡与第三元素 192

第6、7章推荐读物 200

习题 200

8  集团变分法 203

8.1  集团概率变量 204

8.2  摩尔自由能描述 210

8.2.1  内能 210

8.2.2  配置熵 211

8.2.3  摩尔自由能 214

8.3  巨势与相对化学势 216

8.3.1  相对化学势与巨势的定义的导出 217

8.3.2  巨势-相对化学势曲线 219

8.4  变分与数值计算 223

8.5  自然迭代法 224

8.6  同结构相平衡计算 228

8.7  CVM的新发展 233

第8章参考文献 235

第8章推荐读物 235

9  次级相平衡 237

9.1  亚稳态相平衡 237

9.1.1  亚稳相与亚稳平衡态 237

9.1.2  步进规则 240

9.1.3  外插规律 242

9.1.4  单组元材料的亚稳平衡 245

9.1.5  溶体系统中的亚稳平衡 246

9.1.6  非晶态合金 251

9.2  局域平衡 253

9.2.1  局部平衡假设 254

9.2.2  局部平衡与相图测定 258

9.3  仲平衡 262

第9章参考文献 265

第9章推荐读物 266

10  材料设计与热力学 267

10.1  经验材料设计的热力学 268

10.1.1  相边界成分的确定与电子空位浓度 268

10.1.2  相边界成分的确定与电子能级 272

10.2  CALPHAD方法 276

10.2.1  CALPHAD方法及特点 277

10.2.2  CALPHAD数据库和计算程序 280

10.2.3  CALPHAD与性原理计算 284

10.3  CALPHAD相图计算数据库实例 285

10.3.1  无铅微焊材料 285

10.3.2  Ⅲ-Ⅴ族半导体相图数据库 288

10.4　材料基因组工程简介 291

10.4.1　材料发明与设计简史 291

10.4.2　材料发明的现实状态 292

10.4.3　美国的率先举措 292

10.4.4　高通量材料计算的价值 293

10.4.5　中国的研究现状 294

第10章参考文献 294

第10章推荐读物 295

英文索引 296

中文索引 300

本书重点介绍了经典热力学和统计热力学理论在揭示材料中的相和组织形成规律方面的应用，注意通过具体的材料问题实例来使读者理解和掌握热力学的基本规律，吸引读者对热力学原理产生兴趣。全书共分10章，第1至第7章是基本内容，由浅入深地介绍了单组元系、二组元系和三组元以上的多组元材料中相的形成规律和相平衡问题，以及相变热力学和重要的溶体分析模型。第8到第10章的集团变分法，亚稳、局域等次级相平衡以及材料设计与热力学等内容供读者根据需要选学。本书知识自成体系而且特色鲜明，包含类型广泛的材料学研究的实际问题和习题。书后列有英文和中文索引，可方便读者检索查阅。

本书可作高等院校材料科学与工程、材料加工与成型等专业高年级本科生和研究生的教学用书，也可供材料、冶金、机械等相关领域的科技人员阅读与参考。

  郝士明，东北大学，教授、博导，1962年毕业于东北工学院（今东北大学）金属学及热处理专业并留校，1980年赴日本东北大学金属材料学科留学，1982年获得该大学的工学博士学位后回国。

1983年起被东北大学聘为副教授、教授。1987～1996年任该大学材料科学与工程系主任。1993年起任博士生指导教师。1996～1998年任材料与冶金学院院长。 1983年起为东北大学的研究生讲授《合金设计与合金热力学》；并应邀为中科院金属研究所、中科院腐蚀与防护研究所、冶金部钢铁研究总院的博士生和硕士生讲授《合金热力学》8年。 从1983年起，共完成国家科委、国防科工委、国家自然科学基金等科研项目12项，获得国家自然科学基金支持7次。

主要学术成就有：从热力学理论和实验研究两方面揭示了有序－无序转变对合金相平衡的重要影响，获国家*科技进步（甲类）二等奖（1988）和三等奖（1995）； 对高淬透性材料的淬透性表征和模具材料的表面处理等方面的研究有独特贡献，获辽宁省科技进步一等奖（1987）和二等奖（1988），黑龙江省科技进步二等奖（1997）；对TiAl金属间化合物的相平衡和组织控制进行了系统的研究；关于合金钢的CD渗碳表面处理进行了富有开拓性的研究，这些成果获得了国内外同行专家的关注、引用和好评。