01 / 导读
导读
引用
Porter, D. A., Easterling, K. E., & Sherif, M. Y. (2021). Phase Transformations in Metals and Alloys (4th ed.). CRC Press.
章节概要
第四版约 578 页，仅分为六章，因此每一章都是篇幅很长、自成一体的论述，而不是短小的单元。顺序由平衡与动力学的背景（第 1 至 3 章）推进到三类相变：凝固、固态扩散型相变和无扩散的马氏体相变（第 4 至 6 章）。据出版社介绍，每章现在都以要点总结收尾。
第 1 章：Thermodynamics and Phase Diagrams（热力学与相图）
开篇一章提供后续各章用来说明相变为何发生、会导向什么结果的热力学语言。出版社列出的本版变化中，三元相图与溶度积的新处理，以及含有高迁移率间隙元素的体系中“副平衡”（paraequilibrium）的概念，都属于这一领域。此后的一切内容都依赖于把相图读作关于驱动力与平衡的陈述。
第 2 章：Diffusion（扩散）
扩散被当作第二块基石，因为本书中的大多数相变都受原子迁移速度的限制。新版增加了偏聚对晶界扩散的影响，并向读者介绍了求解多组元体系扩散问题的软件工具。
第 3 章：Crystal Interfaces and Microstructure（晶体界面与显微组织）
这一章讲的是塑造显微组织的边界与界面。第四版增加了晶界热力学、重合位置点阵概念的介绍以及确定晶界和界面位错含量的方法，并更新了对共格性与界面结构的处理，其中包括对钢很重要的 fcc-bcc 界面。
第 4 章：Solidification（凝固）
三个相变章节中的第一章讨论由液体到固体的转变。出版社指出，金属玻璃的处理已扩展到临界冷却速率，并把铝铸件中的枞树状（fir-tree）组织列入新的实际应用。
第 5 章：Diffusional Transformations in Solids（固体中的扩散型相变）
本章涵盖通过原子扩散进行的固态相变。出版社修订清单中属于这一章的内容包括：作为析出动力学中 Avrami 方程之替代而引入的 Austin-Rickett 方程，关于形核、长大与粗化重叠效应的讨论，以及对珠光体和贝氏体相变讨论的更新。与这一领域相联系的新实际应用包括调幅分解合金和 Al-Cu-Li 航空航天合金。
第 6 章：Diffusionless Martensitic Transformations（无扩散马氏体相变）
出版社称最后一章是全新且内容广泛的处理。它涵盖铁系中的变温（athermal）马氏体和热激活马氏体，以及有序非铁合金中的形状记忆、超弹性和类橡胶行为。与之相关的新应用有淬火-配分钢、先进高强度钢、马氏体不锈钢以及超弹性和形状记忆合金。
核心概念
第 1–3 章：背景
- 相图（含三元相图）：表明在给定条件下哪些相稳定的图，本版把它扩展到三组元体系。
- 副平衡：在间隙元素的迁移速度远高于置换元素的体系中的一种受约束的平衡。
- 多组元扩散：含多种溶质的合金中的扩散，本书为此介绍了软件工具。
- 晶界与界面结构：边界的热力学、重合位置点阵、位错含量和共格性。
第 4–6 章：相变类型
- 凝固与临界冷却速率：液体的凝固，以及形成金属玻璃而不是晶体所需的冷却速率。
- 析出动力学：扩散型相变速率的描述方式，除 Avrami 方程外还给出了 Austin-Rickett 方程。
- 形核、长大与粗化：扩散型相变的各个阶段，以及它们重叠时的影响。
- 珠光体与贝氏体：钢中两种扩散型相变，本版更新了对它们的讨论。
- 马氏体：无扩散相变，包括钢中的变温型和热激活型，以及非铁合金中的形状记忆与超弹性行为。
评析
优点
- 面向教学的设计。 出版社介绍说，本书以作者的教学笔记为基础，采用教学法的写法，所附例题和习题可直接用作练习。每章现在以要点总结结束，这对章节很长的书来说很合适。
- 理论与工程合金相联系。 简介强调工程合金的案例研究，以及由基础理论到应用的递进。所列的新应用（铝铸件、航空航天用 Al-Cu-Li 合金、淬火-配分钢、先进高强度钢、马氏体不锈钢、形状记忆合金）表明，后面的章节与当前使用的材料联系紧密。
- 大幅修订的版本。 据出版社称，约 40% 的插图和 30% 的正文是新的，参考文献和延伸阅读也已根据实验与计算方面的进展更新。因此持有旧版的读者，尤其不能假定马氏体部分的内容与旧版相同。
- 教学支持。 采用本书的教师可获得新的习题解答手册和 PowerPoint 插图幻灯片。
局限
- 章数少而每章很大。 约 578 页只有六章，意味着一章可能要占课程的数周时间。只需要某一个主题（例如马氏体）的读者，也仍然要读完它所依赖的背景章节。
- 仅限金属与合金。 书名和章节目录把本书限定在金属体系。陶瓷、聚合物以及金属玻璃之外的玻璃不在计划之内。
- 建模是背景而非方法。 出版社把第一性原理、相场、元胞自动机和分子动力学方法说成是融入正文的洞见来源，而只有多组元扩散提到了软件。想学习运行这类模拟的学生需要另找资料。
- 入门水平参差。 出版社说，本书为该领域的新手提供基础与进阶信息的结合；然而三元相图、副平衡、重合位置点阵和界面位错含量等话题远远超出入门课程。读者应在学完第一门材料课程之后再来读它。
在课程中的定位
在本课程书单中，本书是讲显微组织如何形成的专门教材，最好在一般性入门之后阅读。Callister 与 Rethwisch 的 Materials Science and Engineering: An Introduction（列有两个版本）是一部宽广的入门书，把原子键合和晶体结构与力学行为和相图联系起来，这正是 Porter、Easterling 和 Sherif 所默认读者已掌握的内容。Ashby、Shercliff 和 Cebon 以设计为主线的入门书，从工程师需要材料做什么出发；Christopher Hall 的 Materials: A Very Short Introduction 则是简短的非技术性导读。这两本都应在本书之前读，而不是与本书同时读。
Meyers 与 Chawla 的 Mechanical Behavior of Materials 是自然的配套书。它从小尺度上起作用的机制出发解释力学性能，而 Porter、Easterling 和 Sherif 解释这些机制所作用的显微组织是如何由热处理和加工产生的。两者对照阅读，可以把加工路线与由此得到的强度和韧性联系起来。
如何使用本书
本书面向已经了解相图、晶体结构、热力学和微积分基础的冶金与材料科学与工程专业学生，适合作为物理冶金学的研究生入门课程或本科高年级课程。
一个实用的读法如下：
- 核心： 按顺序读第 1 至 3 章。读第 1 章时把熟悉的合金相图放在手边，不要跳过界面一章，因为后面各章的形核与长大都是用它的语言来描述的。
- 按兴趣选读： 铸造、焊接和玻璃形成读第 4 章；析出强化以及钢和铝合金中的珠光体、贝氏体读第 5 章；钢、形状记忆合金和超弹性合金读第 6 章。第 5、6 章受第四版修订的影响最大。
- 习题： 读完每章的总结后再做章末习题，并把总结当作检查本章应学到什么的清单。
- 配合使用： 手边备好显微组织照片和相图手册，并与一本力学行为教材配合使用，使每种相变都与它所产生的性能联系起来。