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内容简介

　　《凝固》根据Dantzig和Rappaz所著的Solidification 翻译而成。《凝固》主要分为三部分.第一部分为理论基础和宏观现象，包括溶体的热力学理论、平衡相图、传输现象以及液固相变中一些重要问题.第二部分运用形核、枝晶生长、微观偏析、共晶/包晶凝固、组织形成竞争等基本概念对凝固微观组织进行描述，重点讨论组织形成过程中宏观、微观现象的耦合.第三部分讨论凝固过程中形成的缺陷，重点介绍空位、热裂和宏观偏析。

目录

前言
术语
第1章 绪论
1.1 概述
1.2 凝固过程
1.3 小结
参考文献
第一部分 基本原理与宏观现象
第2章 热力学
2.1 概述
2.2 一元系统热力学
2.3 二元合金
2.4 偏离平衡
2.5 小结
练习
参考文献
第3章 相图
3.1 概述
3.2 二元体系
3.3 三元体系
3.4 小结
练习
参考文献
第4章 平衡方程
4.1 概述
4.2 质量平衡
4.3 动量平衡
4.4 能量平衡
4.5 多元系中的溶质平衡
4.6 无量纲化
4.7 小结
练习
参考文献
第5章 凝固中的解析解
5.1 概述
5.2 过热熔体中的凝固
5.3 过冷熔体中的凝固
5.4 曲率效应
5.5 小结
练习
参考文献
第6章 凝固研究的数值方法
6.1 概述
6.2 无相变热传导
6.3 相变中的热传导
6.4 流动
6.5 最优化和逆向方法
6.6 小结
练习
参考文献

第二部分 微观组织
第7章 形核
7.1 概述
7.2 均质形核
7.3 异质形核
7.4 晶粒的细化机制
7.5 小结
练习
参考文献
第8章 枝晶生长
8.1 概述
8.2 自由生长
8.3 约束生长
8.4 针状枝晶的生长
8.5 对流和枝晶生长
8.6 相场法
8.7 小结
练习
参考文献
第9章 共晶?包晶及微观组织选择
9.1 概述
9.2 共晶
9.3 包晶合金
9.4 相选择和共生区
9.5 小结
练习
参考文献
第10章 微观偏析和均匀化处理
10.1 概述
10.2 二元合金的一维微观偏析模型
10.3 均匀化和固溶处理
10.4 多元合金
10.5 小结
练习
参考文献
第11章 宏观与微观组织
11.1 概述
11.2 均匀温度场下的等轴晶生长
11.3 温度梯度存在时晶粒的形核与生长
11.4 柱状晶粒
11.5 柱状晶-等轴晶转变
11.6 微观与宏观模型
11.7 小结
练习
参考文献

第三部分 缺陷
第12章 孔缺陷
12.1 概述
12.2 控制方程
12.3 枝晶间流动和压降
12.4 气体在溶液中的热力学
12.5 孔洞形核和生长模型
12.6 边界条件
12.7 概念的应用
12.8 小结
练习
参考文献
第13章 凝固中的变形与热裂
13.1 概述
13.2 铸造热力学
13.3 糊状区的变形
13.4 热裂
13.5 热裂的判定准则和模型
13.6 小结
练习
参考文献
第14章 宏观偏析
14.1 概述
14.2 凝固过程中平界面前沿的宏观偏析
14.3 溶质场和控制方程
14.4 凝固收缩导致的宏观偏析
14.5 液流导致的宏观偏析
14.6 固相运动导致的宏观偏析
14.7 小结
练习
参考文献

精彩书摘

　　《凝固》：
　　第1章 绪论
　　1.1 概述
　　凝固过程与我们生活诸多方面密不可分，无论橱窗上结霜还是在冰盒中制冰，无论电路板上焊料的固化还是工业用铝和钢的铸造，都离不开凝固过程。在人类历史的长河中，凝固始终引领时代的发展，以至于一些历史时代划分都是按当时所能冶炼的合金命名的。公元前4000年~前1200年是青铜时代，那个时代由铜合金制造的武器和生活用具盛行于整个欧亚大陆，如图1.1（a）所示。然而，自公元前1200年左右，铁合金熔铸技术被掌握后，凭借其优异性能迅速取代铜合金，一跃成为制备武器?礼器和其他生活器具的首选材料。图1.1（b）展示了一个铁器时代的斧头。不过在古代，一些特殊钢种，如远近闻名且极富传奇色彩的大马士革钢（damascussteel）是通过机械方法制造的。
　　1858年，贝西默（Bessemer）转炉炼钢法的问世使得钢水得以大规模生产，并可铸成不同形状铸锭以便后续锻造加工。该方法作为工业革命的重要发明之一，为铁路运输业和后来的汽车工业奠定了基础。同样，诞生于1886年的Hall-Héroult炼铝法使铝合金铸件的大规模生产成为可能，从而促进了20世纪航空工业的蓬勃发展。
　　掌握金属的冶炼技术使得人们能够顺利调整控制合金成分成为可能，从而得到不同成分的最终合金成品件或者半成品铸锭，半成品铸锭接着在固态条件下又可以被压制成板材?带材或其他锻件。凝固是上述工业生产过程的关键一环，决定着零件在后续加工过程中的成分及初始结构。整个20世纪上半叶，冶金学家一直在探索如何理解铸件性能同凝固工艺之间千丝万缕的联系。
　　1964年，Chalmers[3]里程碑式著作?凝固原理?的出版标志着凝固艺术与实践走进了工程科技领域。该书提出了描述合金凝固过程中溶质分配的一些基本数学模型，并解释了平界面和球形生长中组织形态（如枝晶）的演化机制。十年后，Flemin-s[4]的?凝固技术?扩展了上述建模方法，并提出了新模型用以描述微观结构特征的演化，如枝晶臂间距和偏析形态。该模型首先开始定量研究凝固参数（如冷却速率和温度梯度）及其与合金固有性质（如凝固区间和基本相图）的交互作用对最终铸件微观结构的影响。在接下来的十年间，人们在凝固组织花样形成规律，尤其关于枝晶生长尺度方面，取得了许多重要进展。其中尤以Kurz和Fisher[6]合著的?凝固基础?最为出名，该书对合金组织演化过程进行了颇为详尽的描述。
　　本书有望成为上述研究发展的延续。自从Kurz和Fisher的专著出版后，大规模计算被引入凝固研究中，极大地促进了凝固理论及其应用的发展。相场方法的发展可以用来更深入地理解复杂凝固组织的演化。同时，低成本大规模计算机和商用软件包的广泛应用允许人们直接对宏观热传输?溶质传输以及实际形状中流体流动进行实际模拟。体积平均理论和微观结构统计学表征则在微观和宏观尺度间架起了桥梁。本书的目标就是将这些早期著作中的模型以及最新发展的模型进行整合：以基本概念为基础，逐步引入重点内容，即解析模型和数值模型的实际应用。
　　本书将以图1.2中所划分的不同空间和时间尺度范围内所涉及的各种现象为主线。在宏观长度尺度上，几何形状及加工条件决定了不同位置的凝固过程。该图以六缸发动机缸体为例，零件的长度大约1m，凝固时间长达30min。采用有限元方法对热传输过程进行数值模拟，如图中所示，可得到特定时刻铸件中的温度分布。
　　微观组织的研究在10-3~1mm 这一较小长度尺度范围内。图1。2中也显示了从初始平界面向液相生长的一排枝晶。由于微观尺度上存在化学偏析，所以可以直接观察到枝晶。当凝固过程存在液体流动时，溶质原子的输运距离将大于局域微观尺度，造成宏观偏析。
　　在原子至纳米长度尺度上发生的一些过程对于凝固现象同样重要。因为固-液界面性质以及原子附着方式同样可以影响到晶体的生长模式。如表面能各向异性在很大程度上决定着微观尺度上所观察到的枝晶形貌。
　　本书第1章为概论部分，全面而细致地总结了各种凝固过程，但是不涉及深入的讨论。主要目的是帮助读者对凝固现象发生时每一过程的重要性进行正确理解并引导读者完成后续内容的阅读。
　　本书其他章节划分为三大部分：基础知识?微观组织与缺陷。所谓基础知识，顾名思义就是介绍研究凝固过程所必须遵循的基本原理。首先是第2章热力学。该章将介绍凝聚态的平衡概念，包括自由能和化学势的计算模型，以及介绍偏离平衡效应，包括曲率和动力学效应。这些概念将在第3章相图中进一步体现，以便于研究由各相间化学平衡所构建的二元和三元平衡相图。
　　平衡就是在足够长的时间内，系统内部空间的温度?组分以及压力等都不发生变化。所以，对平衡来说，不存在有效时间或长度尺度。然而，与实际过程相关的有限时间总能导致长度尺度上的变化，影响着最终铸件性能。前面介绍的各种尺度组织演化就是最好的例证。第4章将要介绍的质量?动量?热量以及组元传输的控制方程正是出于解决上述问题的目的而进行的。特别是对单相及相界面处的控制方程进行了详细推导，并提出了一个适用于描述液固两相共存体积元的体积平均方法。该方法在随后章节的介观模型发展中发挥作用，从而建立起联系微观及宏观尺度的桥梁。
　　本书重点放在凝固过程方面，即液固相边界的移动问题。理论模型的建立需要对一个事先未知位置的相界施加一些边界条件，这是最具挑战性的地方。第5章将介绍此方面研究的相关解析解。这些问题对于控制及确定凝固过程各种重要的物理现象非常关键。然而解析模型通常仅针对一维平界面?材料性能参数为常量且边界条件比较简单的特殊情况。为了克服这些不足，第6章将对凝固过程的数值模拟进行介绍。
　　完成以上基础理论介绍后，第二部分将对微观组织演化进行阐述。同样遵循前面尺度划分主线，第7章将对形核现象进行阐述，探索液态金属在冷却过程中最初固相是如何形成的。在这个过程中，热力学发挥着极为重要的作用，从亚微观尺度上，形核取决于固液相界面能同体积自由能的平衡，随着晶核向微观尺度上的不断生长，晶粒将呈现出其内在的晶体学特征。第8章将围绕最常见的枝晶形貌进行详细描述。对于铸件，与枝晶相关的长度尺度非常重要，因为它直接影响着铸件性能以及缺陷形成，因此，这一章也将重点介绍加工参数对枝晶尺度的影响，以便有兴趣的读者能够领会其中所蕴涵的理论。同时，我们也强调了一些后续章节所用到的重要结果。第9章介绍了共晶和包晶合金系，即涉及熔体与两个不同固相的凝固现象，尤其重点阐述在加工条件影响下这些合金组织在长度尺度上的演化。
　　以上章节所涉及的各种过程将直接导致铸件中各种化学偏析的形成。偏析的大小及程度将影响材料的性能，并影响后续热处理工艺（如均匀化?沉淀析出等）。第10章介绍偏析现象的相关模型，本章会用到第5章?第6章从微观尺度推导出的公式。第二部分以第11章作为结束，将详细阐述宏-微观模型，即如何将第7~10章微观组织演化模型与第6章宏观模型相结合，这能为分析真实铸造过程提供有力的工具。
　　最后是第三部分，将对铸件中存在的一些最常见缺陷进行详细分析。第12章孔缺陷将介绍凝固收缩及气体释放如何导致铸件中形成缩孔。除了众所周知的水?半导体硅?锗，几乎大多数材料的密度均随凝固而增加，随着凝固过程的进行，体积的减小需要液体的流动来补偿，然而，这种流动受到由组织形成所导致的黏性阻力，当这种阻碍作用足够大时将形成缩孔。除了这种黏性阻碍，各种应力现象同样存在，如来自固态热收缩阶段的应力将导致热裂的产生，这些将在第13章予以介绍。第14章宏观偏析将介绍固相与液相的相对运动如何导致宏观尺度上的偏析。
　　……

前言/序言

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