合金元素偏聚与析出对钢中α/γ界面迁移行为的影响_董浩凯_9787302684213

本着“由简入繁”的研究思路，本书首先通过高精度实验系统研究了Fe-C二元体系中α/γ界面的迁移动力学，导出了其本征迁移率，为后续界面本征摩擦的可靠估算提供了支持；接着结合实验与理论模型定量分析了含Nb低碳钢中相间析出碳化物对移动α/γ界面的钉扎作用，阐明了其物理本质；最后对Fe-C-Nb模型合金的铁素体相变进行了深入探究，揭示了元素偏聚与析出对钢中相变动力学的影响规律。本书适合金属材料专业的研究生、从事金属固态相变研究工作的学者及高校教师阅读参考。

导师序言
钢铁材料是一个很奇妙的材料，虽然用途极广，人人熟悉，并被长期广泛深入研究，但其多变的、复杂的内部结构和变化过程一直吸引着学术界的广泛兴趣，而且还有着很多未解之谜。在纯铁中加入千分之几的碳就可以把其强度提高数倍，甚至同样化学成分的钢铁仅仅通过热处理，强度也可以相差数倍。除了储量丰富外，这也是其成为工业界使用量最大的金属材料的一个重要原因（中国目前实际钢产量接近每年人均1 t）。作为现代工业的基石，其性能的持续提升优化始终是材料科学研究的核心驱动力。微观组织的精确调控是实现钢铁材料高性能化的关键，而固态相变作为理解组织演变的核心物理过程，其机理研究兼具重要的科学意义与工程价值。

在众多影响钢铁相变的因素中，合金元素的作用尤为复杂，特别是强碳化物形成元素（如 Nb、V、Ti）在界面处的偏聚与相间析出行为，因涉及热力学、动力学、晶体学等多尺度、多物理场的强耦合作用，成为物理冶金领域长期以来的研究难点和前沿热点。董浩凯博士的论文以此为切入点，聚焦于“合金元素偏聚与析出对钢中奥氏体/铁素体（α/γ）界面迁移行为的影响”，开展了一系列系统而深入的研究，取得了阶段性的创新成果。其论文入选“清华大学博士学位论文丛书”，实至名归。

通览全书，作者展现了清晰的“由简入繁”研究思路。他首先回归基础，以高纯 FeC 二元模型合金为研究对象，利用高精度的场发射电子探针显微分析直接测定生长中的仿晶界铁素体与魏氏体铁素体前沿奥氏体中的碳浓度。这一关键数据使得能量耗散值的精确估算成为可能。结合对界面迁移速率的细致测量，作者定量对比估算出了非共格与半共格两种不同类型相界面的本征迁移率（后者比前者约小一个数量级），同时揭示了伴随魏氏体铁素体切变长大产生的相变应变能（约20 J/mol）。这项工作为整个领域提供了关于界面本征属性的关键基准数据，为后续深入理解更复杂体系中界面迁移受阻的机理奠定了坚实基础。

在奠定二元体系基础后，作者将目光投向强碳化物形成元素Nb的影响，设计了循环相变实验方案，巧妙地实现了移动α/γ界面与相间析出 NbC颗粒的交互作用。通过精心控制初始条件并结合热膨胀仪记录相变动力学，作者清晰地捕捉到相间析出 NbC 对界面迁移的显著钉扎效应，表现为相变起始温度的滞后。运用界面处吉布斯自由能守恒模型，作者定量估算出了正逆奥氏体铁素体相变过程中钉扎力对应的能量耗散值，分别约为15 J/mol和5 J/mol。

作者进一步系统研究了不同Nb含量合金在750~850℃的铁素体等温相变动力学，实现了对同一迁移α/γ界面的晶体学性质、能量耗散值及元素偏聚量的准原位、多尺度、全方位的定量分析，提出了Nb在非共格界面上的显著偏聚是引起相变动力学变缓的主要原因。作者将测得的界面移动速率、能量耗散值及Nb偏聚量与溶质拖曳理论模型进行了交叉对比分析，定量揭示了它们之间的物理联系，并优化确定了 Nb 的界面偏聚能和跨界面扩散系数等关键参数。此外，研究发现，伴随的相间析出 NbC 通过消耗铁素体中的固溶Nb来削弱溶质拖曳效应，从而对相变动力学产生了复杂影响。

作为董浩凯同学的博士研究生导师，我见证了他从课题选择、方案设计、实验攻关到论文撰写的全过程。他面对高难度实验的坚韧不拔，面对挫折时的冷静思考，以及追求、精益求精的态度，都给我留下了深刻印象。能够指导如此的学生完成这项高水平的研究工作，是我莫大的荣幸。他是我所指导的研究生中优质位获得清华大学博士学位论文的学生，也是首个获得Acta Materialia期刊颁发的Acta Student Award奖的清华学生。实际上，董浩凯同学的论文是在清华大学陈浩教授和日本东北大学古原忠教授的具体指导下完成的，借此机会也非常感谢他们的高水平指导和辛勤付出。同时，我也要感谢所有关心和帮助过董浩凯同学的老师、同学和朋友，没有你们的支持和帮助，董浩凯同学的博士学位论文不可能取得如此优异的成绩。

“一流博士生教育体现一流大学人才培养的高度”。董浩凯博士的这项工作，正是清华大学致力于培养具有“独立之精神，自由之思想”，兼具创新能力与国际视野的顶尖人才的成功例证。他的研究成果不仅丰富了现代物理冶金的知识宝库，也为钢铁材料的微观组织精准调控和性能优化提供了新的科学依据和实验支持。

衷心希望本书的出版能促进相关领域学者、研究生的交流与学习，激发更多创新思想。也祝愿董浩凯博士在未来的科研道路上，继续秉持求真务实的科学精神，勇攀高峰，取得更加辉煌的成就！
杨志刚
2025年7月1日于清华园

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