作者：DanielH.Herring–《IndustrialHeating》杂志专栏作者，美国伊利诺伊州Elmhurst
热处理人员也许没有想到，为了弄清不同的热处理工艺为何会产生某种特定的微观结构和相应的机械性能，有必要掌握一些基本的热力学和动力学知识。(这时涉及到固态相变与温度和成分的关系)。
另外，如果您希望了解诸如气体渗碳或渗氮等工艺的基本原理，我们也必须用到这些知识。
热力学是研究热能和所有其他形式能量(比如机械能、电能和化学能)之间关系的一个科学分支，而动力学与之不同，是对反应速率——不同反应机理(比如化学的或物理的)的推动力——进行研究。
热力学与稳定性有关
热力学揭示的是一种材料为何在一种状态下比在另一种状态下稳定，而不考虑事物正在发生的变化。换言之，热力学不涉及时间因素。
必须注意的是，一定不能将热力学参数(比如化学反应的吉布斯自由能)与动力学参数(比如化学反应的活化能)混淆。
热力学只能告诉您，一个化学反应应当能够进行下去，因为反应产物(即在化学反应中生成的物质)更稳定，比反应物(在化学反应中发生变化的物质)的自由能更低。或者使用更科学的说法，反应的自由能为负值。
由于反应的自由能变化(ΔG)为负值，因此反应能够自发进行。公式ΔG=-RTlnK完全表明了这一点，其中R是气体常数，T是绝对温度(单位为K)，K是平衡常数。
还有一种表达方式是，反应的平衡常数很大，意味着如果能够自然达到平衡，则反应产物的数量将大大超过反应物；反应产物与反应物相比自由能更低，或者说更稳定。
因此，反应物有转化成产物的趋势。举例来说，石墨和金刚石都是碳的一种存在形态，但石墨的自由能更低，所以金刚石有转化成石墨的趋势。
另一个例子是，在您清洗皮肤时，它有溶解在肥皂中的趋势。在这种情况下，(您的皮肤溶解在肥皂中的)溶解反应的产物比反应物(分别是未溶解的皮肤和肥皂)更稳定。
之所以专门选择上述例子是因为，尽管反应应当能够进行(因为产物比反应物更稳定)，但实际上并没有发生。您的手在清洗时很安全，就像女性手指上戴着的钻石一样安全。
虽然反应具备了热力学条件，但进行的速度非常慢。将金刚石的化学键全部破坏，并将其重新组合成石墨这种不同的更稳定的形态，具有极大的难度。尽管反应从热力学方面来说应当进行，但由于动力学条件不利而并不进行。
动力学与反应性有关
动力学研究的是物质发生反应的速率。动力学能够告诉您反应进行得多快，但如前所述，不能告诉您物质最终达到什么状态。化学反应的速率相差很大，比如快的有燃烧器内的燃烧反应，慢的则可以比作地质变化。
假设反应物具有足够的活化能，能够使化学反应正向进行(即从反应物转化为产物)，则速率常数k能够衡量反应达到平衡的速度。
输入能量的要求揭示了这样一个事实：反应物在特定条件下不具有反应性。这时，必须输入某种形式的能量才能使反应开始进行，否则，反应物无法突破活化能的阻碍和转化成产物。以不同方式提供给反应物的能量使反应得以启动，而反应速率、速率常数和启动反应需要的动能则表明了反应能够以多快的速度达到平衡。
可以将反应的平衡常数(K)和速率常数(k)进行对比，后者确定了反应过程中某个基本步骤的速度(表1)。
热处理实例
碳在钢中扩散的气-钢界面传质动力学，是近年来利用热力学和动力学基本知识开展研究的一个实例。它让我们对气体渗碳工艺的传质机理有了基本的了解，并且能够将其包括在使用不同富化气的渗碳气氛的热力学模型中。这样，模型就能准确地预测：渗碳富化阶段的气氛组成，气-钢界面碳的传质动力学，以及不同工艺条件和合金含量下钢中碳的扩散系数。
从热力学角度来说，利用气体渗碳气氛中发生的反应而获得需要的渗碳气氛，是一个涉及到许多气体相互作用的非常复杂的过程。
据估计，在渗碳气氛中同时发生将近个化学反应，而其中只有以下3个重要反应决定着碳从渗碳气氛到钢表面的迁移速度：
在渗碳过程中，速度最快的反应是一氧化碳分子的分解，而渗碳反应的副产物(二氧化碳和水)起着脱碳剂的作用。即使只有很少量的二氧化碳存在，也需要高浓度的一氧化碳来抵消这一脱碳作用。
因此，为了保证渗碳工艺继续进行，必须减少这些脱碳成分。一般来说，通过热力学计算，能够确定在一定的渗碳温度下不造成脱碳的二氧化碳最大允许含量。
由于只使用吸热性气体进行渗碳效率很低，需要很大的流量，因此通常需要添加碳氢化合物气体，以使吸热性载气富化。富化气的作用是与二氧化碳和水发生如下反应，从而降低它们的含量并产生更多的一氧化碳和氢气：
虽然富化反应4和5因速度较慢而达不到平衡，但气氛的碳势决定了渗碳工艺的有效性，还可以通过改变水煤气变换反应中CO/CO2和H2/H2O的比例而对工艺进行控制：
结语
如果不对热力学和动力学在热处理中的作用有一个基本的了解，对任何人来说都是一个错误。它们是所有热处理人员都必定要接触到的两个术语。
关于作者：DanielH.Herring，是《IndustrialHeating》热处理杂志的“热处理问题诊断”专栏撰稿人，是美国知名热处理专家。他于年在美国伊利诺伊州Elmhurst市成立了以他自己名字命名的热处理技术咨询公司TheHERRINGGROUP,Inc.，主要业务包括热处理技术咨询和教育。年，他入选北美热处理行业最有影响力的25人之一。公司联系+1---，邮箱：dherring
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