金属材料加工过程中往往涉及多个相变,其产物可含有不同的相和组织,进而表现出不同的力学、物理和化学性能。因此,发展相应的相变理论将材料的成分、加工工艺与结构、显微组织相联系,对于指导和设计材料加工工艺至关重要。前人在相变理论方面取得显著成果,但随当代先进加工技术的发展和工艺过程复杂化,前人理论中诸多假设限制了相变理论的应用,例如经典理论中的局域平衡假设无法精确描述快速凝固中的非平衡效应、理想溶体假设无法描述多元合金中的组元间相互作用、经典理论关注单一尺度现象而无法同时处理相变中在多个尺度发生的现象。本文针对金属材料加工过程中常见的非平衡凝固和固态相变,基于不可逆热力学和统计力学基本原理,对相变的热力学/动力学过程进行多尺度建模。同时,结合基于密度泛函理论的第一原理计算方法,考虑高温时磁性构型的热激发,研究纯Fe马氏体相变的热力学/动力学。主要结论如下:(1)基于热力学极值原理和拓展的不可逆热力学发展了多组元浓溶液合金快速凝固的尖锐界面模型。确定了系统的演变路径,包括体相中的扩散和界面处的非平衡演化方程,其中考虑了块体相和界面处的局部非平衡效应。应用本模型,与Ludwig模型的比较研究,展示了稳态界面成分和温度随界面速度的变化规律。由于浓溶液合金中不同组元之间的相互作用,预测得到某些合金的溶质分配系数随着界面速度呈现非单调变化趋势;受组元互作用的影响,界面温度显着降低。结合非稳态界面条件与当前模型和Ludwig的模型,研究温度扰动后的非平衡瞬态,以展示界面条件的演变,发现界面在非常短的时间之后达到准稳态。(2)基于上述界面动力学模型,耦合热力学数据库,对浓溶液多组元合金快速凝固中的平直液/固界面的稳定性进行拓展的形态稳定性分析。针对Al-Mg-Zn合金的快速定向凝固过程,计算了不同Mg浓度和非对角扩散效应作用下的临界Zn浓度,并阐明相应的稳定机制。特别是对于高Mg浓度,存在一个绝对不稳定阶段,只取决于Mg的扩散效应,且与Zn浓度无关。基于上述界面动力学模型及界面临界稳定性判据,发展了可用于过冷浓溶液多组元合金的枝晶生长的模型。为验证模型进行了深过冷Ni-18at.%Cu-18at.%Co熔体中枝晶生长的实验研究;对比发现,模型可在整个过冷范围内(ΔT=30~313 K),良好地预测了测量的界面速度。由于各组元之间的相互作用和枝晶尖端半径的变化,溶质分配系数随枝晶尖端生长速率呈非单调变化,根据计算结果讨论了不同阶段枝晶生长的控制机理。(3)针对金属材料加工中常见的非平衡凝固、固相相变及晶粒长大过程,结合前人的实验及理论计算,分析在相变条件发生变化时驱动力和能垒的变化及其相关性。大量的实验及理论结果一致表明,在体系自发演化中,随热力学驱动力增大(减小),同时体系转变的能垒减小(增大)。为采用定量方法研究相变热力学/动力学相关性,基于第一原理计算,通过使用配分函数法和准简谐Debye-Grüneisen模型计算有限温度下磁性构型的波动来研究Fe沿Bain路径的热力学和动力学。在有限温度下,通过最小能量路径分析Bain路径的热力学和动力学,发现自由能差和能垒之间相关,转变驱动力减小的同时能垒增大。(4)提出基于晶粒密度泛函的一阶相变多尺度理论框架,并结合最大熵产生原理和变分过渡态原理获得晶粒概率密度演化的Fokker-Planck方程,从而建立了原子尺度的转变与体系在介观尺度上演化的关系,能够自洽地在多个空间/时间尺度上描述一阶相变中的组织演化。针对Al-Cu合金θ’相析出过程,本模型在无可调参数时能够合理地描述沉淀相析出动力学。