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1.1   材料微观组织的角色

大多数工程材料的性能都与其内在的微观组织有关。比如，硅的晶体结构和杂质含量决定其能带结构及其在现代电子器件中的质量性能。国内大多数大尺寸工程应用都需要高强度钢，其微观组织中应同时包含大量细晶和软硬相。对于航空和汽车领域，其比强度是一个很重要的问题，其方法是在轻合金的原始晶粒组织中析出第二相颗粒来强化。晶界、析出相颗粒和软硬区的结合使得金属变得非常硬，同时也能塑形变形。值得注意的是，世界上的拱形桥的长度与珠光体钢的发展直接相关。通常来说，社会的技术发展经常与其探索和应用新材料及其性能的能力有关。

在上面大多数事例中，同时还有很多其他例子，微观组织在凝固、固态相变、热机械加工过程中改变。所有这些过程都受自由边界动力学和非平衡相变动力学（free boundary kinetics and nonequilibrium phasetransformation）的基础物理理论所控制。例如，在凝固和再结晶中，其都是一级相变，晶粒的形核伴随着这些晶粒的竞争生长，驱动力是总自由能（包括体积自由能和界面能）的降低，动力学上由热和质量的扩散所控制。热力学驱动力也可以不同。例如，凝固由体积自由能、界面能和各向异性所驱动。另一方面，应变诱导的相变必须耦合弹性效应。这些都在合金的热处理中形貌和析出第二相的分布有很大的作用。

模拟和预测材料性能和微观组织的能力极大地受益于最近新理论和数值工具的发掘。现代并行计算允许模拟在纳秒尺寸数十亿的原子。在更高尺度上，不同的连续性和明锐界面方法也使得定量模拟微观组织形成中的自由界面动力学行为成为可能。每一种方法都有其有点和不足。