结构。另外，在 1043 K（居里点），铁从铁磁性（自旋有序）状态到顺磁性（自旋无序） 状态，这就是铁。

铁的相变行为在研究含铁元素的材料中具有重要意义，从下节开始我们将介绍纯铁 相变的理论基础以及模拟方法与内容。

1.2 相变

相变从热力学角度定义为从一个相（或更多相）到另一个相（或更多相）的转变。 例如当旧相和新相保持其固态时，称为固-固相转变。外部条件的变化，例如温度，压力 和磁场或电场可能引起相变。旧相和新相共存时的温度，压力或其他物理量的值称为过渡 点。根据基于自由能产物的个体行为的 Ehrenfest 分类（1933），我们通常将相变过程进行 分类。如果一些相变化学势的一阶导数是不连续的，则相变是一阶的。一阶相变包括各种 固体/液体/气体转变以及固体中的某些结构变化，例如在铁中形成马氏体。如果所有的一 阶导数是连续的，但是二阶导数是不连续的，则相变被分类为二阶。这些包括在诸如铁的 材料中的铁磁相变。在这项工作的背景下，铁系统中的固相转变非常重要，因为它们与控 制钢铁材料微观结构有关，因此在诸如屈服强度和硬度的材料性能中起着核心作用。

1.2.1 相界

相界是两个或多个分离相之间的界面，它们可能具有不同的组成，晶体结构和晶格 常数。取决于原子结构，相界可分为三种类型，见图 1.2.1 中的（a），（b），（c）。

图 1.2.1(a)共格相界；（b）半共格相界；（c）非共格相界[14]

当两个微晶在界面平面完美匹配或几乎完美匹配时，就被称为共格相界。小格子失 配由弹性应变来适应。在这种情况下，边界两侧的原子位置相关，见图 1.2.1 中（a）。当

界面处的失配变大时，晶格失配由错位的周期性阵列容纳；保持半共格相界，见图 1.2.1

中（b）。非共格相界只能由两相非常不同的结构或大的晶格失配形成，见图 1.2.1 中（c）。 这种结构与任意大角度晶界非常相似。在三种类型的相界中，非共格相界具有最高的界面 能，而共格相界界最低。表格 1 列出了三种相界的典型界面能量值。

相界类型 γ (mJ/m2)

共格相界 5-200

半共格相界 200-800

非共格相界 800-2500

表 1：三种类型相界固相界面能量的范围，取自参考文献。[15]

1.2.2 马氏体相变

马氏体相变是一类非扩散型的固态相变，其转变产物（马氏体）通常是亚稳相。马 氏体名称源自钢中加热至奥氏体（γ 固溶体）后快速淬火所形成的高硬度的针片状组织， 为纪念冶金学家 Martens 而命名。根据在钢中含碳量的大小，将含碳量低于 0.6%的淬火 后组织为板条状马氏体，但也含有一些片状马氏体，在 0.6%-1.0%的含碳量淬火后组织位 两类马氏体混合组织，而含碳量大于 1.0%的淬火后组织基本为片状马氏体。马氏体的晶 体结构因合金成分而异，对于碳钢来说，有面心立方结构的奥氏体快速冷却形成体心四方 结构的马氏体，奥氏体所含碳原子过饱和地溶于马氏体中，故马氏体晶胞的轴比 c/a 随含 碳量变化而改变。早在 1924 年，Bain 提出一个由面心立方晶胞转变成体心四方晶胞的模 型，如图 1.2.2（a）所示。按此模型，当碳含量位 0.8%时，体心四方晶胞沿 c 轴收缩大约

20%，a 和 b 轴膨胀大约 12%，就形成 （C）=0.8%的马氏体晶胞，这样的膨胀和收缩成