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随着现代社会的发展和科学技术的进步,金属材料在极端非平衡条件下的相变越来越引起人们的重视。纳米量热作为一种新兴的量热技术,具有高达107 K/s的加热冷却速度,可以原位获取金属材料在极端非平衡条件下的相变行为。相对于传统热分析技术,其热容灵敏度在纳米量级,可以检测到微弱的相变信息。除热力学和动力学外,纳米量热结合其它表征手段,可以对相变进行全方面的研究。这不仅有助于揭示极端非平衡相变的内部机理,还可以为新材料开发和改性提供直观的实验证据。本文在前期非平衡形核研究的基础上,利用Sn基合金微滴和Ce68Al10Cu20Co2（at.%）大块非晶在极端冷却和加热条件下的凝固、玻璃化转变、晶化以及熔化现象进行了系统研究差示快速扫描量热仪（Differential fast scanning calorimetry,DFSC）实现了单个Sn基合金微滴在104 K/s级别的原位冷却,凝固组织得以细化,析出相分布均匀。在Sn3.5Ag微滴中,15000 K/s的冷却速度可以获得0.22 Tm的过冷度。借助于聚焦离子束（Focused ion beam,FIB）和高分辨透射电子显微镜（High resolution transmission electron microscopy,HRTEM）,成功对其凝固组织进行了表征。在此条件下,微滴析出相都在100 nm以下,没有大块针状Ag3Sn的形成。快速凝固中,b-Sn基体和Ag3Sn之间形成纳米扩散偶并存在高达109/m的浓度梯度,可以降低形核驱动力,提高过冷熔体的稳定性,形成SnAg非晶。在Sn3.0Ag0.5Cu微滴中,通过对20000 K/s冷却速度下“冻结”的不同尺寸、不同形貌析出相的表征,阐明了Ag3Sn的生长机理。结果表明,晶粒内部Ag3Sn形成初期为球形,其（（?）02）晶面作为择优生长面沿[（?）03]方向生长,变为棒状。但是受限于生长时间,尺寸仍在纳米级别。纳米量热实现了Ce68Al10Cu20Co2大块非晶从0.083 K/s到14000 K/s加热速度下的晶化动力学研究。加热速度增加,晶化温度升高,晶化激活能降低,传统Kissinger方程不再适用。通过计算玻璃化转变温度和熔点之间的晶体生长速度,发现了低温熔体中生长速度和粘性流动发的去耦合,即不再遵循Stokes-Einstein方程,而Ediger关系可以在低温段表述此变化,即Dμη-0.865。结合经典形核理论可以获得Ce68Al10Cu20Co2过冷熔体的形核率,以此判断加热和冷却过程中晶化行为的不对称性,即加热晶化由生长控制,冷却晶化由形核控制。由此进一步排除Ce晶体首先析出的可能性。随着加热速度的提高,Ce68Al10Cu20Co2晶化路径发生变化,因此普通差示扫描量热仪（Differential scanning calorimetry,DSC）和快速加热下的晶化产物差异明显。在Ce68Al10Cu20Co2金属玻璃中,以Al原子为中心的二十面体为基本原子结构。相对于直接形成晶体,亚稳的Al13Co4准晶与非晶具有更高的结构相似性,因此会首先析出,作为金属玻璃微结构和最终晶化产物的过渡相。纳米量热设备极高的冷却速度可以实现Ce68Al10Cu20Co2非晶的原位制备。当冷却速度从100 K/s增大到50000 K/s,先后获得晶体、晶体-非晶混合组织以及完全非晶三种不同凝固组织。通过后续再加热可以确定凝固组织微结构对玻璃化转变、晶化以及熔化的影响。研究表明,金属玻璃形成由笼统地抑制晶化进一步细分为形核和晶体生长两方面。具体而言,10000 K/s的冷却速度可以抑制冷却过程中晶化的发生,即传统意义上的临界冷却速度。而在50000 K/s的冷却速度下,不仅晶化被完全抑制,均匀形核的发生也被限制。原位冷却形成的Ce68Al10Cu20Co2非晶在玻璃化转变温度附近退火10-3-104 s,实现了微结构的有序化转变。通过计算再加热过程中的晶化焓和整体潜热,实现了对等温形核和晶化动力学的定量分析,结合结构表征,证实了Ce68Al10Cu20Co2的二次晶化机制。在等温退火过程中产生的有序团簇表现出了明显的尺寸效应,形成低温熔化峰。玻璃态的晶化由均匀形核和非均匀形核共同作用,而过冷熔体中,异质形核成为影响晶化的主要因素。当非晶中形成大量纳米晶,二者界面会存在高致密度的原子团簇,可从整体上提高残余非晶的玻璃化转变温度,即提高其动力学稳定性。