01 / 導讀
導讀
引用
Porter, D. A., Easterling, K. E., & Sherif, M. Y. (2021). Phase Transformations in Metals and Alloys (4th ed.). CRC Press.
章節概要
第四版約 578 頁，僅分為六章，因此每一章都是篇幅很長、自成一體的論述，而不是短小的單元。順序由平衡與動力學的背景（第 1 至 3 章）推進到三類相變：凝固、固態擴散型相變和無擴散的馬氏體相變（第 4 至 6 章）。據出版社介紹，每章現在都以要點總結收尾。
第 1 章：Thermodynamics and Phase Diagrams（熱力學與相圖）
開篇一章提供後續各章用來說明相變為何發生、會導向什麼結果的熱力學語言。出版社列出的本版變化中，三元相圖與溶度積的新處理，以及含有高遷移率間隙元素的體系中“副平衡”（paraequilibrium）的概念，都屬於這一領域。此後的一切內容都依賴於把相圖讀作關於驅動力與平衡的陳述。
第 2 章：Diffusion（擴散）
擴散被當作第二塊基石，因為本書中的大多數相變都受原子遷移速度的限制。新版增加了偏聚對晶界擴散的影響，並向讀者介紹了求解多組元體系擴散問題的軟體工具。
第 3 章：Crystal Interfaces and Microstructure（晶體介面與顯微組織）
這一章講的是塑造顯微組織的邊界與介面。第四版增加了晶界熱力學、重合位置點陣概念的介紹以及確定晶界和介面位錯含量的方法，並更新了對共格性與介面結構的處理，其中包括對鋼很重要的 fcc-bcc 介面。
第 4 章：Solidification（凝固）
三個相變章節中的第一章討論由液體到固體的轉變。出版社指出，金屬玻璃的處理已擴充套件到臨界冷卻速率，並把鋁鑄件中的樅樹狀（fir-tree）組織列入新的實際應用。
第 5 章：Diffusional Transformations in Solids（固體中的擴散型相變）
本章涵蓋通過原子擴散進行的固態相變。出版社修訂清單中屬於這一章的內容包括：作為析出動力學中 Avrami 方程之替代而引入的 Austin-Rickett 方程，關於形核、長大與粗化重疊效應的討論，以及對珠光體和貝氏體相變討論的更新。與這一領域相聯繫的新實際應用包括調幅分解合金和 Al-Cu-Li 航空航天合金。
第 6 章：Diffusionless Martensitic Transformations（無擴散馬氏體相變）
出版社稱最後一章是全新且內容廣泛的處理。它涵蓋鐵系中的變溫（athermal）馬氏體和熱啟用馬氏體，以及有序非鐵合金中的形狀記憶、超彈性和類橡膠行為。與之相關的新應用有淬火-配分鋼、先進高強度鋼、馬氏體不鏽鋼以及超彈性和形狀記憶合金。
核心概念
第 1–3 章：背景
- 相圖（含三元相圖）：表明在給定條件下哪些相穩定的圖，本版把它擴充套件到三組元體系。
- 副平衡：在間隙元素的遷移速度遠高於置換元素的體系中的一種受約束的平衡。
- 多組元擴散：含多種溶質的合金中的擴散，本書為此介紹了軟體工具。
- 晶界與介面結構：邊界的熱力學、重合位置點陣、位錯含量和共格性。
第 4–6 章：相變型別
- 凝固與臨界冷卻速率：液體的凝固，以及形成金屬玻璃而不是晶體所需的冷卻速率。
- 析出動力學：擴散型相變速率的描述方式，除 Avrami 方程外還給出了 Austin-Rickett 方程。
- 形核、長大與粗化：擴散型相變的各個階段，以及它們重疊時的影響。
- 珠光體與貝氏體：鋼中兩種擴散型相變，本版更新了對它們的討論。
- 馬氏體：無擴散相變，包括鋼中的變溫型和熱啟用型，以及非鐵合金中的形狀記憶與超彈性行為。
評析
優點
- 面向教學的設計。 出版社介紹說，本書以作者的教學筆記為基礎，採用教學法的寫法，所附例題和習題可直接用作練習。每章現在以要點總結結束，這對章節很長的書來說很合適。
- 理論與工程合金相聯繫。 簡介強調工程合金的案例研究，以及由基礎理論到應用的遞進。所列的新應用（鋁鑄件、航空航天用 Al-Cu-Li 合金、淬火-配分鋼、先進高強度鋼、馬氏體不鏽鋼、形狀記憶合金）表明，後面的章節與當前使用的材料聯繫緊密。
- 大幅修訂的版本。 據出版社稱，約 40% 的插圖和 30% 的正文是新的，參考文獻和延伸閱讀也已根據實驗與計算方面的進展更新。因此持有舊版的讀者，尤其不能假定馬氏體部分的內容與舊版相同。
- 教學支援。 採用本書的教師可獲得新的習題解答手冊和 PowerPoint 插圖幻燈片。
侷限
- 章數少而每章很大。 約 578 頁只有六章，意味著一章可能要佔課程的數週時間。只需要某一個主題（例如馬氏體）的讀者，也仍然要讀完它所依賴的背景章節。
- 僅限金屬與合金。 書名和章節目錄把本書限定在金屬體系。陶瓷、聚合物以及金屬玻璃之外的玻璃不在計劃之內。
- 建模是背景而非方法。 出版社把第一性原理、相場、元胞自動機和分子動力學方法說成是融入正文的洞見來源，而只有多組元擴散提到了軟體。想學習執行這類模擬的學生需要另找資料。
- 入門水平參差。 出版社說，本書為該領域的新手提供基礎與進階資訊的結合；然而三元相圖、副平衡、重合位置點陣和介面位錯含量等話題遠遠超出入門課程。讀者應在學完第一門材料課程之後再來讀它。
在課程中的定位
在本課程書單中，本書是講顯微組織如何形成的專門教材，最好在一般性入門之後閱讀。Callister 與 Rethwisch 的 Materials Science and Engineering: An Introduction（列有兩個版本）是一部寬廣的入門書，把原子鍵合和晶體結構與力學行為和相圖聯繫起來，這正是 Porter、Easterling 和 Sherif 所預設讀者已掌握的內容。Ashby、Shercliff 和 Cebon 以設計為主線的入門書，從工程師需要材料做什麼出發；Christopher Hall 的 Materials: A Very Short Introduction 則是簡短的非技術性導讀。這兩本都應在本書之前讀，而不是與本書同時讀。
Meyers 與 Chawla 的 Mechanical Behavior of Materials 是自然的配套書。它從小尺度上起作用的機制出發解釋力學效能，而 Porter、Easterling 和 Sherif 解釋這些機制所作用的顯微組織是如何由熱處理和加工產生的。兩者對照閱讀，可以把加工路線與由此得到的強度和韌性聯繫起來。
如何使用本書
本書面向已經瞭解相圖、晶體結構、熱力學和微積分基礎的冶金與材料科學與工程專業學生，適合作為物理冶金學的研究生入門課程或本科高年級課程。
一個實用的讀法如下：
- 核心： 按順序讀第 1 至 3 章。讀第 1 章時把熟悉的合金相圖放在手邊，不要跳過介面一章，因為後面各章的形核與長大都是用它的語言來描述的。
- 按興趣選讀： 鑄造、焊接和玻璃形成讀第 4 章；析出強化以及鋼和鋁合金中的珠光體、貝氏體讀第 5 章；鋼、形狀記憶合金和超彈性合金讀第 6 章。第 5、6 章受第四版修訂的影響最大。
- 習題： 讀完每章的總結後再做章末習題，並把總結當作檢查本章應學到什麼的清單。
- 配合使用： 手邊備好顯微組織照片和相圖手冊，並與一本力學行為教材配合使用，使每種相變都與它所產生的效能聯繫起來。