材料热力学课件
材料热力学全套课件
2.1 熵和热力学第二定律6
热力学第二定律表达式 可逆过程 不可逆过程 热力学第二定律表述： 一个隔离体系的熵值总 是增加，直至平衡态
dS Qrev / T dS Q / T
2.2 熵的统计概念
熵作为体系“混乱程度”的量度 统计力学假设体系的平衡态只是各种可能 微观态中的最可几态。 玻耳兹曼公式（熵的一般表达式） S k ln 表达体系的熵值和它内部粒子混乱度Ω之间 的定量关系。在一定的总能量U、体积V和 粒子数n时，体系的混乱度越大，熵值越大。 当呈最可几态（ Ω最大 ），熵值最大，即 体系的平衡态。
a d
a b
H bc H cd
例1.2
H ab H bc
第二章 热力学第Βιβλιοθήκη 定律和第三定律
2.1 熵和热力学第二定律 2.2 熵的统计概念 2.3 配置熵（组态熵、混合熵） 2.4 固溶体的混合熵 2.5 振动熵和磁性熵 2.6 热力学第三定律 2.7 Richard和Trouton规则 2.8 例题
2.3 配置熵（组态熵、混合熵）
配置熵： 体系进行吸热或放热过程时，使内部粒 子混乱度Ω改变 体系内部粒子在空间有效位置间进行不 同配置（混合）时，混乱度Ω改变 引起的熵变。
配置（1） ＝ 1 N! S配置＝k ln 配置（2） k ln n!( N n )!
2.4 固溶体的混合熵
1.3 焓和比热容1
焓是状态函数
等压过程
H u pV dp 0 Q dH H Q p
1.3 焓和比热容2
恒容比热容 Cv 恒压比热容 Cp
材料热力学课件-第三章-1
9
△rGm = △rGm (T) + RTlnΠ (pB/p) νΒ
平衡时， △rGm = 0, 所以有
△rGm (T) = - RTlnΠ (pB/p) νΒ
定义：K
(T
)
def
exp
r Gm RT
或
K
(T
)
def
exp
B
B
T
B
RT
10
所以有： K(T ) pB / p B
33
TiO2(s)+2C(石墨)+2Cl2(g) = TiCl4(g)+2CO(g) 解: rGm(1000K) = ∑fGm(B,1000K)
=( - 637.6 -2×200.2+764.4) kJmol-1 = -273.6 kJmol-1
34
K(1000K) =exp[- rGm(1000K) /RT] =exp[273600Jmol-1/(8.3145×1000 Jmol-1)] = 1.96×1014
(3)虽然等温方程是由理想气体反应推导出来的， 但是，它可以用于任意化学反应，如纯凝聚系 统的反应。在用于纯凝聚系统的反应时，J不 是用分压，而是用浓度或活度表示。
29
/ K
K
p
pB
p
B
平衡态
r
Gm
RT
ln
K
p
RT
ln
J
p
实际应用此方程解决有关平衡问题
J p
pB,g
B,g
p
任意态
K
(T
)
def
exp[
(a
A
b
B
y
Y
《材料的热学》课件
详细描述
热学研究可以帮助提高能源利用效率，减少能源浪费。 例如，通过研究热传导和热辐射性质，可以提高太阳能 电池的转换效率；通过研究热力学性质，可以提高燃料 的燃烧效率。同时，热学研究也有助于环境保护，例如 通过研究废热的回收和利用，可以降低能耗和减少环境 污染。
05
热学实验与测量技术
热学实验设计
需要进一步发展和完善热学的理论模型和 计算方法，以解释和预测实验结果。
多学科交叉
应用前景广阔
热学研究涉及到多个学科领域，需要跨学 科的合作和交流，以推动研究的深入和发 展。
随着科技的发展和社会的进步，热学的应 用前景越来越广阔，如能源、环保、医疗 和信息技术等领域。
对未来发展的展望
加强跨学科合作
鼓励不同学科领域的专家进行合作，共同推 动热学研究的深入和发展。
结果表达
提供实验结果的表达方式，包括图表、表格 和文字描述。
数据分析
根据实验数据，进行深入的分析和解释，以 得出材料的热学性质和规律。
结果讨论
对实验结果进行讨论和解释，包括结果的合 理性和可靠性分析。
06
未来展望与挑战
热学研究的前沿领域
量子热学
研究量子力学在热现象中的应用，探 索微观尺度下的热行为和热信息传递 。
要点二
详细描述
了解材料的热膨胀和热传导性质可以帮助工程师在设计时 预测和控制材料在不同温度下的行为，从而优化其性能。 例如，在高温炉中使用的耐火材料，通过了解其热膨胀和 热传导性质，可以设计出更耐高温、更隔热的炉衬，提高 炉子的使用效率和安全性。
能源利用与环境保护
总结词
热学在能源利用和环境保护方面具有重要应用，可以帮 助实现节能减排和可持续发展。
材料基础-第七章热力学及其相图xPPT课件
因而，任何一个由A、B二组元组成的合 金，其成分都可以在横坐标上找到，合金的成 分可以用质量分数w（％）表示。
精选PPT课件
5
图7－1 三个不同类型的二元相图
精选PPT课件
6
一定成分的合金在加热、冷却时，相图上 表示的是与温度线平行的纵向线的上下移动， 曲线交点是该合金从一种相的组成状态转变为 另一种相的组成状态时的温度，称为临界点或 临界温度，见图7－2。
2. 合金的结晶过程
以合金I为例，讨论合金的结晶过程。
当 合 金 自 高 温 液 态 缓 慢 冷 却 至 液 相 线 上 t1 温度时，开始从液相中结晶出固溶体a，此时a
的成分为a1。随温度的下降，固溶体a量逐渐增
多，剩余的液相L量逐精选渐PPT减课件 少。
15
当温度冷却至t2时，固溶体的成分为a2，液 相的成分为l2；当最后一滴成分为l4的液相也转 变为固溶体时完成结晶，此时固溶体成分为合
二元合金中，如Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、 Fe-Ni及W-Mo等属此类相图。
以Cu-Ni合金相图为例进行分析。
1. 相图分析 图7-4为Cu-Ni合金的均晶相图。 图中只有两条曲精线选PP，T课件其中曲线Al1B称为1液3
相线，是各种成分Cu-Ni合金冷却时开始结晶 或加热时结束熔化温度的连结线。
10
固液两相的质量和等于合金总质量Q0 , 即
Q0 ＝ QL ＋ Qa
（7－4）
设液相中镍的质量分数为
w
L Ni
、固相中镍的
质量为 w
Ni
,
合金中镍的质量分数为
w
o Ni
，则
QowN o iQLwN L iQwNi(QoQ).wN L iQwNi
材料热力学课程PPT
熵的增加表示系统从几率小的状态向几率大的状态演变， 也就是从比较有规则、有秩序的状态向更无规则，更无秩序的 状态演变。熵体现了系统的统计性质。
热寂说：
热寂理论（Heat death）是猜想宇宙终极命运的一种 假说。根据热力学第二定律，作为一个“孤立”的系 统，宇宙的熵会随着时间的流逝而增加，由有序向无 序，当宇宙的熵达到最大值时，宇宙中的其他有效能量 已经全数转化为热能，所有物质温度达到热平衡。这 种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维 持运动或是生命的能量存在。
色即是空，空即是色，原来世间万物皆是一场空！
现实的角度：
现实的角度：
现实的角度：
现实的角度：
科学理论的角度：
科学理论的角度：
科学理论的角度：
科学理论的角度：
科学理论的角度：
其它的角度：
其它的角度：
其它的角度：ຫໍສະໝຸດ 其它的角度：热力学第二定律之----“热寂说”的故事
汇报人：黄民忠 2015.12
克劳修斯表述：
不可能把热量从低温物体传向高温物体 而不引起其它变化。
开尔文表述：
不可能制成一种循环动作的热机，从单 一热源取热，使之完全变为功而不引起 其它变化。
熵 增 加 原 理
熵增加原理：
孤立系统的熵永不自动减少，熵在可逆过程中不变，在不 可逆过程中增加。熵增加原理是热力学第二定律的又一种表述， 它比开尔文、克劳修斯表述更为概括地指出了不可逆过程的进行 方向；同时，更深刻地指出了热力学第二定律是大量分子无规则 运动所具有的统计规律，因此只适用于大量分子构成的系统，不 适用于单个分子或少量分子构成的系统。
材料热力学 ppt课件
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6
4.1 新相的形成和相变驱动力 4.2 马氏体相变热力学 4.3 珠光体转变（共析分解）热力学 4.4 脱溶分解热力学 4.5 调幅（Spinodal）分解热力学
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7
4.1 新相的形成和相变驱动力
4.1.1 新相的形成
材料发生相变时，在形成新相前往往出现浓度起伏， 形成核胚再成为核心、长大。无论核胚是稳定相还是 亚稳相，只要符合热力学条件都可能成核长大。因此， 相变中可能出现一系列亚稳定的新相。
材料热力学
第四章 相变热力学 / 第五章 界面热力学
ppt课件
1
参考书目
徐祖耀 主编，材料热力学，高等教育出版社， 2009.
赵乃勤 主编，合金固态相变，中南大学出版社， 2008.
江伯鸿 编著，材料热力学，上海交通大学出版社， 1999.
徐瑞等 主编，材料热力学与动力学，哈尔滨工业 大学出版社，2003.
基本内容：
计算相变驱动力，以相变驱动力大小决定相 变的倾向，帮助判定相变机制，在能够估算临 界相变驱动力的条件下，可求得相变的临界温 度。相变驱动力与相变阻力的平衡。
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5
相变的分类：
1. 按热力学分类：一级相变、二级相变…… 2. 按原子迁移特征分类（固态相变）：扩散型
相变、无扩散型相变。 3. 按相变方式分类：形核-长大型相变（不连续
匀形核，因此所需的过冷度也小。
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第四章 相变热力15 学
4.2 马氏体相变热力学
4.2.1 马氏体相变
高碳钢经淬火发生了马氏体相变，获得马氏体显 微组织，具有很高的硬度，但塑性较差。
马氏体相变是钢件热处理强化的主要手段，要求 高强度的钢都是通过淬火来实现。
材料热力学第6章 相变热力学ppt课件
6.2 新相的形成和形核驱动力 For example: 材料凝固时往往出现亚稳相，甚至得到非晶态。
自由能最低的相最稳定(稳定相) 相对稳定相，亚稳相具有较高的自由能，但只要亚稳相的 形成会使体系的自由能降低，亚稳相的形成也是可能的。
液相L、稳定相α、亚 稳定相β、γ和δ
如过冷至Tmγ以下，由液相 凝固为α、β和γ都是可能的， 都引起自由能的下降。
(3)按原子迁移特征分类 •扩散型相变 •无扩散型相变
6.2 相变分类(按热力学分类) 一级相变（First-order phase transformations）
将化学位的一阶偏微分在相变过程中发生突 变的相变称为一级相变。金属中大多数相变为一 级相变。
一级相变（First-order phase transformations）
原始亚稳α固溶体的浓度为x，其相应的自由能为G。当均匀的α固 溶体出现较大的浓度起伏时，起伏也可作为新相的核胚。
For example: 在浓度为x的α固溶 体出现：
由n1摩尔组成的、浓度为x1的
原子集团,其自由能为G1；
由n2摩尔组成的、浓度为x2的原
子集团，其自由能为G2.
如果不考虑相界面能，此时体系 总自由能增量为：
ห้องสมุดไป่ตู้
6.1 相变分类(按原子迁移特征分类)
(3)按原子迁移特征分类
扩散型相变：依靠原子扩散进行 •原有的原子邻居关系被破坏； •溶体成分发生变化。
无扩散型相变：无原子扩散，或虽存在扩散，但不是 相变所必需的或不是主要过程。
•相邻原子的移动距离不超过原子间距，不 破坏邻居关系； •不改变溶体成分。
马氏体相变
以n2代表核胚的摩尔数，设xl很接近x，核胚 只占整个体系中很小的部分，即n1远大于n2.
材料热力学课件—简单共晶三元相图
C初晶+(B+C)二元共晶+(A+B+C)三元共晶
C初晶+(A+C)二元共晶+(A+B+C)三元共晶
A初晶+(A+C)二元共晶+(A+B+C)三元共晶
A初晶
+(A+B+C)三元共晶
B初晶
+(A+B+C)三元共晶
C初晶
+(A+B+C)三元共晶
(A+B)二元共晶+(A+B+C)三元共晶
(B+C)二元共晶+(A+B+C)三元共晶
2023/2/13
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L→A+B三相区
L→A+C三相区
2023/2/13
L→B+C三相区
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小结----简单三元共晶相图空间模型 由点、线、面、区构成。
点：3个二元共晶点，1个三元共晶 点,
线：3条二元共晶线或单变量线，
面：3个初晶液相面，3组6个二元共 晶开始面，3个二元共晶完毕面，1个三 元共晶水平面
A+B+C三相区
2023/2/13
5
三组共六个二元共晶开始面
右图为L→A + B的开始 面，即e1EαA1和 e1EbB1两个面，其完 毕面与三元共晶等温面 αEb重叠
2023/2/13
6
三个二元共晶完毕面=一个三元共晶面 AB二元共晶完毕面aEb，BC二元共晶完毕面 bEc，AC二元共晶完毕面cEa，与三元共晶水平 面重合，即：二元共晶反应完毕就是三元共晶反 应开始。
2023/2/13
材料热力学课件11三元相图及凝固组织三元匀晶相图
2024/2/3
T5
ห้องสมุดไป่ตู้
T4
T5
T4
T3
。y合金
T2 T1
。x合金
T3
T2
T1
24
3.4 变温截面（或垂直截面）
截面常平行于一边或过某一顶点。纵、横坐 标分别表示温度和合金成分，图中的线条同 样表示相变温度，可以与二元相图一样分析 合金的相变过程
在变温截面上不能表示相的成分，因为垂直 截面上液相线和固相线不是一对共轭曲线， 之间不存在相平衡关系，因此在变温截面上 就不能应用杠杆定律计算平衡相的百分含量
三元相图的浓度三角形
2024/2/3
3
三角形内任一点x合金的成分求法
三边AB、BC、CA按顺时针方向分别代表三组元B、C、 A的含量
由x点分别向顶点A，B，C的对应边作平行线，顺序交 于三边的a,b,c点，三线段之和等于三角形的任一边长， 即 xa+xb+xc=AB=BC=CA =合金的总量(100%)
通过x点的正确连线位置：液相成分
点m位于Bxf线的下方，而固相成分
点n位于Bxf线的上方，这样才符合上
述规律：
应用杠杆定律计算两个相的百分含量？
CA
/ CC
CAL
/ CCL
2024/2/3
22
等温截面作用
1.表示在某温度下三元系中各合金存在的相态； 2.表示平衡相的成分，可以应用杠杆定律计算平衡相
2024/2/3
10
2.2 重心法则
当一个三元合金o分解为三个不同成分的平衡相x、y和z 时，此o合金的成分点必然位于由x、y和z三相成分点所 连成的三角形内，a，b，c点分别相当于yz，xz和xy两相 之和的成分点。
材料热力学课件-第三章-2
以△Hm =18.86kJmol-1代入
lnK
(T
)
r
H
m
B
RT
得 B = 0.045+(18860/2.303×8.3145×873)
= 1.17 lgK = - 18860 Jmol-1/(2.303RT) + 1.17
= -985/(T/K) + 1.17
13
(3)根据上式求1373 K 时的 lgK(1373 K)= - 983/1373 + 1.17
+1/2∑bBT 2 +1/3∑cBT 3
其中 △H0 =△rHm (298K)-298K×∑aB – 1/2×(298K)2 ∑bB -1/3(298K)3∑cB
22
△rHm(T)=△H0+∑aBT
+1/2∑bBT 2 +1/3∑cBT 3
代入dlnK(T) =[△rHm/RT2 ]dT，得
ln
△rGm –T 的近似直线关系是在BCp,m
很小或0时。因为
△rSm （T） = △rSm （298K） +
C T
B dT
298K
B p,m
B
T
19
dlnK dT
T
r
H
m
(T
RT 2
)
ln
K (T2 ) K (T1)
r
H
m
R
1 T2
1 T1
lnK
(T
)
r
H
m
B
RT
20
2、△rHm随温度变化
说明计算中做了哪些假设。
G 已知
f
m
Ag
材料热力学PPT精品课件
12
孤立体系的能量守恒
与外界无物质交换 无能量交换 无任何交换 完全孤立
2021/3/1
13
热力学第一定律
做功和热传导可改变体系的内能
U Q W
ΔU内能的变化，Q热传导的能量(热量)，体系吸热为正，放热为负，W为 功，环境对体系做功为正值，体系对环境做功为负值。
微分形式为 dU Q W 只有体积功时，W - PdV 体积增大时，体系对外做功，功为负值
对于一定物质量的纯物质，可直接观测的三个热力学函数，温 度(T)，压强(P)，体积(V)完全确定物质的状态
T，V，P不是独立变量
PV=nRT（理想气体）
实际气体、液体、固体不知道方程 的具体形式，但存在状态方程
V=V(T, P) T=T(V, P) P=P(T, V)
T，V，P只有2个是独立的
2021/3/1
6
0k
4
2
2021/3/1
0 0 100 200 300 400 500 600
Temperature (K)
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焓
焓(H)的定义： H U PV
尽管H的直观物理意义并不明确，它能简化计算
dH dU d(PV ) Q- PdV d(PV ) Q VdP
等压条件下 dH Q
14
U
CP
2021/3/1
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建立在4个定律和‘简单的数学’之上
0th 定律 → 温度
1st 定律 → 能量
2nd定律 → 熵
3rd 定律 → 熵
一种描述和理解世界的新方法
不需要大学物理基础
简单而深刻
2021/3/1
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状态函数
状态：如物质的数量，温度，压强，体积都确定，则该 物质处于一定的状态。 状态一定，所有性质都有确定值。
《材料的热学》课件
解释能量转换与热能利用的科学原理。
热力学第二定律
1 热力学第二定律的表
述
在孤立系统中，不断增 加，不可逆过程不能自发 发生。
2 卡诺循环
理想的热机循环，能实现 最高效率的理论。
3 热力学第二定律的应
用
解释自然界中各种能量转 化的局限性。
热力学第三定律
1 熵的概念
研究系统无序程度的物理量。
的方向密切相关。
热力学循环
1 标准热力学循环
由一系列变化组成的最基本的热力学过程。
2 常见的热力学循环
卡诺循环、斯特林循环、奥托循环、布雷顿循环等。
结束语
1 热力学的理论与应用
为科学探索和工程实践提供了重要的基础。
2 热力学的未来发展
与材料科学、能源领域等关联紧密，将有更广阔的应用前景。
热量
能量的传递形式，使物体温度发生变化。
热力学功
系统与外界交换的能量。
热平衡与热传递
1 热平衡的条件
物体间热量的传递达到稳 定状态，没有净热量的交 换。
2 热平衡的稳定性
系统达到热平衡后，微小 扰动不会导致系统温度变 化。
3 热传递的方式
热传导、热对流、热辐射。
热力学第一定律
1 定与表述
能量守恒定律，能量既不能创造也不能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
《材料的热学》PPT课件
欢迎来到《材料的热学》PPT课件。本课程将为您介绍热力学的基本概念、定 律和参数，以及热平衡、热传递、热力学循环等内容，让您深入了解材料的 热学。
概述
• 热力学的基本概念 • 热力学的三大定律
热力学基本参数
温度
衡量物体热运动强度的物理量。
第四章-材料的热学性能PPT课件
假设m2>m1
解为
x2n1Ai[ etL(2n1)a] x2nBi[etL(2n)a]
L2/
A、B：两类原子的振幅
(m 12 2 k e )A (2 k ecL o)B s a 0 (2 k ecL o)A s a (m 22 2 k e )B 0
m122ke 2kecoLsa0 2kecoLsa m222ke
《材料物理》 第三章 材料的热学性能
理学院 材料科学与工程系 李煜璟
提纲
• 热力学与统计力学概要 • 材料热容量 • 材料的热膨胀 • 材料的热传导 • 材料的热稳定性
.
4.1 热学性能的物理基础
• 材料各种热学性能均与晶格热振动有关 • 1、晶格热振动 ➢ 晶体点阵中的质点（原子或离
子）总是围绕着平衡位置作微 小振动，称为晶体热振动 ➢ 温度体现了晶格热振动的剧烈程度，相同条件下，晶 格振动越剧烈，温度越高 • 2、格波 ➢ 材料中所有质点的晶格振动以弹性波的形式在整个材 料内传播，这种存在于晶格中的波叫做格波 ➢ 格波是多频率振动的组合波
12i
ni
• 波尔兹曼统计理论
Ei
n
eni /kT
i
n0 eni /kT
i ei /kT
1
n0
• 角频率以ρ(ω)分布
E0me/kT1()d
.
爱因斯坦模型的热容量
• 假定：每个振子都是独立的振子，原子之间彼此无关 ，每个振子振动的角频率相同
➢ 则1mol晶体3个的自由平度均能量：Ee3 N E/ k T E13Nek E /kET 1
Cp /（ J.K-1.mol-1 ） 9.6 11.3 7.5 16.7 20.9 15.9 22.5
材料热力学课件-第一章-5
17
如对反应 aA(g)＋b B(g) →yY(g)＋zZ(s) r Hm y(298.15K) =
yf Hm y(Y, g,298.15K) ＋zf H m y(Z, s,298.15K) －af H m y(A, g,298.15K) －bfHm y(B,g,298.15K)
21
标准状态下的H2O(l)，CO2(g)为完全燃烧 产物，不再燃烧，其标准摩尔燃烧焓在任何温度 T 时均为零。O2（g）不燃烧。 f H m y （CO2，g ,T ） = c H m y （C，石墨,T ）
c H m y （CO2，g ,T ） = f H m y （C，石墨,T ） =0
22
+∫
T
298
[
-18.54
+
7.73×10-3
（T/K）+
K
12.89×105（T/K）-2]×10-3 kJ·K-1·mol-1 dT
积分并解出 ΔrHm(1273K)=168.63kJ·mol-1
31
二、绝热反应—最高反应温度的计算
例1-18：100kPa、298K时把甲烷与理论量的空 气[φ(O2):φ(N2)=1∶4] 混合后，在等压下绝热燃 烧，求系统所能达到的最高火焰温度是多少？已 知
- 4.52×105 -8.53×105 Δc´= 12.89×105
ΣνBCp,m(B)= -18.54 + 7.73×10-3 (T/K)+ 12.89×105(T/K)-2
30
r Hm (T2 ) r Hm (T1)
材料热力学课件
不可逆过程与可逆过程
不可逆过程
在热力学过程中，如果系统和外界的变化不能通过无穷小的改变而互相抵消，则称该过程为不可逆过程。不可 逆过程总是伴随着能量的耗散和熵的增加。
可逆过程
在热力学过程中，如果系统和外界的变化可以通过无穷小的改变而互相抵消，使得系统能够沿着相反的方向进 行并恢复原状，则称该过程为可逆过程。可逆过程是理想化的过程，实际中很难实现。
热力学第一定律表达式
ΔU=Q-W，其中ΔU为系统内能的变 化，Q为系统吸收的热量，W为系统 对外所做的功。
热力学第二定律
热力学第二定律的表述
不可能从单一热源取热，使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；或不可 能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。
熵增原理
在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
高温超导材料的相变与热力学性质
01
研究高温超导材料在不同温度、压力下的相变行为，以及相变
过程中的热力学性质变化。
热力学模型与计算
02
建立适用于高温超导材料的热力学模型，通过计算预测材料的
热力学性质和行为。
热稳定性与热力学性能优化
03
研究高温超导材料的热稳定性，探索提高材料热力学性能的途
径和方法。
纳米材料热力学
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热力学模拟计算方法
分子动力学模拟
通过计算机模拟原子或分子的运 动过程，研究材料的热力学性质
和相变行为。
蒙特卡罗模拟
利用随机数进行抽样计算，模拟 材料的热力学过程和相变现象。
第一性原理计算
基于量子力学理论，通过计算材 料的电子结构和能量状态，预测
材料的热力学性质。
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Phase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction 李伟Wei Li LecturerE-mail:weilee@Phone: 5474 5567Office: 闵行校区材料楼A503B 室Office Time: Wednesday 2:00-3:00 PM/Able.Acc2.Web/Template/View.aspx?courseType=0&courseId=5204&topMenuId=37502&menuType=4&action=view&type=&name=Phase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction Experiences QualificationsPhD in Metallurgy and Materials, The University of Birmingham,UK,2011 MSc in Material Science, Shanghai Jiaotong University, 2007BSc in Material Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, 2004Employments2007.5‐8 Baosteel ‐NSC/Arcelor Automotive Steel Sheets Co.Ltd2012. 2‐Shanghai JiaoTong UniversityPhase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction 金学军Jin, Xue-jun ProfessorE-mail: jin@Phone: 5474 5560Office: 闵行校区材料楼A505B 室Office Time: Tuesday 2:00-3:00 PM/Able.Acc2.Web/Template/View.aspx?courseType=0&courseId=5204&topMenuId=37502&menuType=4&action=view&type=&name=Phase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction Experiences 2002.8 –Professor, School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China 2012.6-7Visiting Professor at Department of Materials Science and Metallurgy, the University of Cambridge, UK 2001.1 –2001.12Visiting Scientist at Department of Materials Science and Engineering, MIT, USA2000.8 –2000.11Senior Visiting Fellow at Department of Materials Engineering, University of Wollongong, Australia 1997.7 –1999.5Postdoctoral Fellow, School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, China1997.6got the Ph. D. on Materials Physics from Shanghai Institute of Metallurgy, the Chinese Academy of Sciences, Shanghai, ChinaPhase Transformation and Microstructure Design S. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction Research Interests Institute of Phase Transformation and Complex Microstructure Group leader :Prof.Xuejun Jin./Phase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction Make known each otherMake known each otherPhase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction Contents of today •What is Materials Science and Engineering?•The role of thermodynamics in MSE.•Cases•Introduction to the course / Syllabus•Review / KeywordsPhase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction 冯端，师昌绪，刘治国主编，材料导论，化学工业出版社，2002年5月第一版History of human being is a history o f materialsPhase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin IntroductionHistory of materials 人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分，如：石器时代、铜器时代和铁器时代。
及至今日，当由硅石(SiO2)提纯的单晶硅在信息技术(IT)应用中占绝对主导地位，到发现大有前途的高温超导材料竟然也是陶瓷材料时，材料科学家们不免惊呼：新的石器时代来临了。
这些事实说明材料的发展在人类社会发展中起了举足轻重的作用。
Phase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction 材料科学的发展带来计算机学科的飞速进步，才有今日个人电脑的普及。
计算机已经经历了电子管－〉晶体管－〉集成电路时代。
钨、钼做电极电子管Materials and computers晶体管锗、硅半导体集成电路硅石－多晶硅－单晶硅棒－单晶晶园－集成电路Phase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction113.5寸软盘存储容量为1.44Mb 。
CD 光盘(CD －ROM)存储容量提高到了650Mb 。
软盘用氧化铁磁性材料来存储0和1组成的信息。
CD 光盘是用高分子材料为基片，铝为反射层，靠基片上的凹坑来识别0和1，材料本身不起存储作用，所以，CD 光盘是只读存储器，不能“抹去信息而后重写”。
可反复重写的光盘CD －RW ，则靠几层薄膜材料在激光束照射下的变化来读取和写入信息。
它的容量也是650Mb 。
650Mb 意味着什么?比尔•盖茨的一张照片很说明问题。
Media materials and computers高55英尺，计330,000 页的资料上。
而且，节约了森林资源，于环保有利，因为木材是造纸原料。
Phase Transformation and Microstructure Design S. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction 12Materials and aerocraftPhase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction13High temperature materials and aerocraft固定式或移动式发动机的热效率都随介质工作温度的提高而提高。
30多年来，大型喷气式飞机的发动机推力提高了5倍多，而发动机的重量只增加1~2倍，这主要靠高温合金的采用。
军用飞机的推力/重量比已由不到10:1提高到15:1Phase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction14Materials and lifePhase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin Introduction15Materials and lifeAccording to the BMG golf plate manufacturerTi club heads transfers 70% of the input energy to the ball.BMGs transfers 99%.the low elastic modulus and lower vibrational response provide a softer, more solid feel for better control when strikes the ball.Phase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of MaterialsFall 2012© X. J. JinIntroductionBackground / BuildingMilwaukee Art Museum -Quadracci PavilionDesigner: Santiago CalatravaPhase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of MaterialsFall 2012© X. J. Jin IntroductionBackground / BuildingTurning TorsoSweden2006 World Cup Soccer Allianz Arena, GermanyPhase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of MaterialsFall 2012© X. J. JinIntroductionBackground / Building2008 Beijing Olympic Games : National StadiumBackground / RailwayS. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure DesignSJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin IntroductionPhase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of MaterialsFall 2012© X. J. JinIntroductionBackground / BridgesNanpu Bridge,ShanghaiAkashi kaikyo Bridge , the world longest suspension bridge with a center span of 1,991m, JapanS. J. T. U.High strength steelsPhase Transformation and Microstructure DesignThe weight fraction of steel and iron in an average family car has decreased from 74% in 1978 to 67% in 1997. Yet over the same time period, that of high-strength steels has risen from 4% to 9%M. Militger, Science, 2002, 298: 975.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012 © X. J. Jin Introduction21/70More steel is used than all other metals combinedS. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure Design“Steel is strong, tough, easily formed and cheap. Its uses range from ships to paper clips. More steel is used than all other metals combined”.M. F. Ashby, D. Cebon, Teaching Engineering Materials: the CES EduPackSJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012 © X. J. Jin Introduction22/70Large Quantity of Steel Products in ChinaS. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure DesignAnnual steel production in 2011 is 696 million tons，about 45.5% of the World.year China World %2000 128 848 15.12001 151 850 17.72001 182 904 20.12003 222 970 22.82004 282 1069 26.32005 353 1147 30.72006 419 1251 33.42007 489 1351© X. J. Jin2008 500 13272009 560 12002010 627 14142011 696 1527SJTU Thermodynamics of MaterialsFall 201236.137.6 23 46.6Introduction44.7 45.5 23/70Large Quantity of Automobiles in ChinaS. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure DesignAutomobile annual sale in 2011 is 18.51 million, ranked No.1 in the world.SJTU Thermodynamics of MaterialsFall 2012© X. J. JinIntroduction24/70Automobile lightweight and Safety—— Strive to develop advanced high strength steelS. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure DesignAutomobile lightweight is urgent measure under the pressure caused by environment and resource¾～8% petrol saved if automobile weight reduced 10%*.Advanced high strength steel is the first choice of automobile structure materials1975 Mild Steel HSS and Bake Hard Advanced / Ultra HSS Iron Aluminum (includes castings) Plastic/Composites 2,180 140 -585 84 180 2005 1,751 324 111** 290 307 335 2007 1755 327 149** 284 327 340 2015 1,314 325 403** 244 369 364 Change From 1975 to 2015 Down 866 lbs. Up 185 lbs. Up 403 lbs. Down 341 lbs. Up 285 lbs. Up 184 lbs.*: Takehide SENUMA, ISIJ International, 2001, 41, 520-532SJTU Thermodynamics of MaterialsFall 2012© X. J. JinIntroduction25/70High strength steelsS. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure DesignBMW 3 Series / a body structure weighing 230 kg with a highstrength steel content of 50% / The previous less than 5%Mercedes-Benz S-Class uses 38% high-strength steel / a lower body weight / an increase in torsional stiffness of 70% / improved crash performance.SJTU Thermodynamics of MaterialsFall 2012© X. J. JinIntroduction26/70*3rd generation AHSSS. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure Design• • •UTS > 1000 MPa Elongation 20% or more Low cost（alloying elements、processing）70 60 50IFFeasible microstructure？TW IP Au st. ssHSSIF ISTW IP40 EL (%) 30 20 10 0 200MildBHCM nT RI P D HS L P AAQ& PChallenge OpportunityHSMART/CP4006008001000120014001600TS (MPa (MPa )20000MPa⋅% SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012 © X. J. Jin Introduction 27/70 D. K. Matlock, J. G. Speer, The 3rd International Conference on Advanced Structural Steels, Gyeongju, Korea, August 22-24, 2006, 774.1st AHSS <15000MPa⋅%2nd AHSS3rd AHSS50000MPa⋅%Processing along with Alloying Effects for Fe-C SteelsS. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure DesignQ P Q TTRI P•Composition •ProcessingMicrostructure of Metastable Multi-scale Multi-phaseBleck, W. and K. Phiu-On, Effects of Microalloying in Multi Phase Steels for Car Body Manufacture. Microstructure and Texture in Steels, 2009: p. 145-163. SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012Application © X. J. Jin Microstructure Introduction Suwas, S., A. Bhowmik, and S. Biswas, Ultra-fine Grain Materials by Severe Plastic Deformation: to Steels. and Texture in Steels, 2009: p. 325-344.28/70* Schematic Process for QP & QPTS. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure DesignQuenching: Fraction of Martensite Partioning: Carbon diffuse into residual austeniteC-Si-MnLath martensite ＋retained austenite in thin film15000MPa⋅%Tempering: for precipitationSpeer&Edmonds, 2003, QP T. Y. Hsu, 2007, QPTSJTU Thermodynamics of MaterialsMicroalloying + tempering = strengthening by precipitatoin > 15000MPa ⋅% Fall 2012 © X. J. Jin IntroductionT. Y. Hsu (Xu Zuyao)，Materials Science Forum (2007)29/70Four elements in MSES. J. T. U.Phase Transformation and Microstructure DesignPerformanceSynthesis/ ProcessingPropertiesSJTU Thermodynamics of MaterialsStructure/ CompositionFall 2012© X. J. JinIntroduction30/70Phase Transformation and Microstructure DesignS. J. T. U.SJTU Thermodynamics of Materials Fall 2012© X. J. Jin IntroductionMicrostructure and morphology材料科学是一个跨物理、化学等的学科。