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內容簡介

　　《凝固》根據Dantzig和Rappaz所著的Solidification 翻譯而成。《凝固》主要分為三部分.第一部分為理論基礎和宏觀現象，包括溶體的熱力學理論、平衡相圖、傳輸現象以及液固相變中一些重要問題.第二部分運用形核、枝晶生長、微觀偏析、共晶/包晶凝固、組織形成競爭等基本概念對凝固微觀組織進行描述，重點討論組織形成過程中宏觀、微觀現象的耦閤.第三部分討論凝固過程中形成的缺陷，重點介紹空位、熱裂和宏觀偏析。

目錄

前言
術語
第1章 緒論
1.1 概述
1.2 凝固過程
1.3 小結
參考文獻
第一部分 基本原理與宏觀現象
第2章 熱力學
2.1 概述
2.2 一元係統熱力學
2.3 二元閤金
2.4 偏離平衡
2.5 小結
練習
參考文獻
第3章 相圖
3.1 概述
3.2 二元體係
3.3 三元體係
3.4 小結
練習
參考文獻
第4章 平衡方程
4.1 概述
4.2 質量平衡
4.3 動量平衡
4.4 能量平衡
4.5 多元係中的溶質平衡
4.6 無量綱化
4.7 小結
練習
參考文獻
第5章 凝固中的解析解
5.1 概述
5.2 過熱熔體中的凝固
5.3 過冷熔體中的凝固
5.4 麯率效應
5.5 小結
練習
參考文獻
第6章 凝固研究的數值方法
6.1 概述
6.2 無相變熱傳導
6.3 相變中的熱傳導
6.4 流動
6.5 最優化和逆嚮方法
6.6 小結
練習
參考文獻

第二部分 微觀組織
第7章 形核
7.1 概述
7.2 均質形核
7.3 異質形核
7.4 晶粒的細化機製
7.5 小結
練習
參考文獻
第8章 枝晶生長
8.1 概述
8.2 自由生長
8.3 約束生長
8.4 針狀枝晶的生長
8.5 對流和枝晶生長
8.6 相場法
8.7 小結
練習
參考文獻
第9章 共晶?包晶及微觀組織選擇
9.1 概述
9.2 共晶
9.3 包晶閤金
9.4 相選擇和共生區
9.5 小結
練習
參考文獻
第10章 微觀偏析和均勻化處理
10.1 概述
10.2 二元閤金的一維微觀偏析模型
10.3 均勻化和固溶處理
10.4 多元閤金
10.5 小結
練習
參考文獻
第11章 宏觀與微觀組織
11.1 概述
11.2 均勻溫度場下的等軸晶生長
11.3 溫度梯度存在時晶粒的形核與生長
11.4 柱狀晶粒
11.5 柱狀晶-等軸晶轉變
11.6 微觀與宏觀模型
11.7 小結
練習
參考文獻

第三部分 缺陷
第12章 孔缺陷
12.1 概述
12.2 控製方程
12.3 枝晶間流動和壓降
12.4 氣體在溶液中的熱力學
12.5 孔洞形核和生長模型
12.6 邊界條件
12.7 概念的應用
12.8 小結
練習
參考文獻
第13章 凝固中的變形與熱裂
13.1 概述
13.2 鑄造熱力學
13.3 糊狀區的變形
13.4 熱裂
13.5 熱裂的判定準則和模型
13.6 小結
練習
參考文獻
第14章 宏觀偏析
14.1 概述
14.2 凝固過程中平界麵前沿的宏觀偏析
14.3 溶質場和控製方程
14.4 凝固收縮導緻的宏觀偏析
14.5 液流導緻的宏觀偏析
14.6 固相運動導緻的宏觀偏析
14.7 小結
練習
參考文獻

精彩書摘

　　《凝固》：
　　第1章 緒論
　　1.1 概述
　　凝固過程與我們生活諸多方麵密不可分，無論櫥窗上結霜還是在冰盒中製冰，無論電路闆上焊料的固化還是工業用鋁和鋼的鑄造，都離不開凝固過程。在人類曆史的長河中，凝固始終引領時代的發展，以至於一些曆史時代劃分都是按當時所能冶煉的閤金命名的。公元前4000年~前1200年是青銅時代，那個時代由銅閤金製造的武器和生活用具盛行於整個歐亞大陸，如圖1.1（a）所示。然而，自公元前1200年左右，鐵閤金熔鑄技術被掌握後，憑藉其優異性能迅速取代銅閤金，一躍成為製備武器?禮器和其他生活器具的首選材料。圖1.1（b）展示瞭一個鐵器時代的斧頭。不過在古代，一些特殊鋼種，如遠近聞名且極富傳奇色彩的大馬士革鋼（damascussteel）是通過機械方法製造的。
　　1858年，貝西默（Bessemer）轉爐煉鋼法的問世使得鋼水得以大規模生産，並可鑄成不同形狀鑄錠以便後續鍛造加工。該方法作為工業革命的重要發明之一，為鐵路運輸業和後來的汽車工業奠定瞭基礎。同樣，誕生於1886年的Hall-Héroult煉鋁法使鋁閤金鑄件的大規模生産成為可能，從而促進瞭20世紀航空工業的蓬勃發展。
　　掌握金屬的冶煉技術使得人們能夠順利調整控製閤金成分成為可能，從而得到不同成分的最終閤金成品件或者半成品鑄錠，半成品鑄錠接著在固態條件下又可以被壓製成闆材?帶材或其他鍛件。凝固是上述工業生産過程的關鍵一環，決定著零件在後續加工過程中的成分及初始結構。整個20世紀上半葉，冶金學傢一直在探索如何理解鑄件性能同凝固工藝之間韆絲萬縷的聯係。
　　1964年，Chalmers[3]裏程碑式著作?凝固原理?的齣版標誌著凝固藝術與實踐走進瞭工程科技領域。該書提齣瞭描述閤金凝固過程中溶質分配的一些基本數學模型，並解釋瞭平界麵和球形生長中組織形態（如枝晶）的演化機製。十年後，Flemin-s[4]的?凝固技術?擴展瞭上述建模方法，並提齣瞭新模型用以描述微觀結構特徵的演化，如枝晶臂間距和偏析形態。該模型首先開始定量研究凝固參數（如冷卻速率和溫度梯度）及其與閤金固有性質（如凝固區間和基本相圖）的交互作用對最終鑄件微觀結構的影響。在接下來的十年間，人們在凝固組織花樣形成規律，尤其關於枝晶生長尺度方麵，取得瞭許多重要進展。其中尤以Kurz和Fisher[6]閤著的?凝固基礎?最為齣名，該書對閤金組織演化過程進行瞭頗為詳盡的描述。
　　本書有望成為上述研究發展的延續。自從Kurz和Fisher的專著齣版後，大規模計算被引入凝固研究中，極大地促進瞭凝固理論及其應用的發展。相場方法的發展可以用來更深入地理解復雜凝固組織的演化。同時，低成本大規模計算機和商用軟件包的廣泛應用允許人們直接對宏觀熱傳輸?溶質傳輸以及實際形狀中流體流動進行實際模擬。體積平均理論和微觀結構統計學錶徵則在微觀和宏觀尺度間架起瞭橋梁。本書的目標就是將這些早期著作中的模型以及最新發展的模型進行整閤：以基本概念為基礎，逐步引入重點內容，即解析模型和數值模型的實際應用。
　　本書將以圖1.2中所劃分的不同空間和時間尺度範圍內所涉及的各種現象為主綫。在宏觀長度尺度上，幾何形狀及加工條件決定瞭不同位置的凝固過程。該圖以六缸發動機缸體為例，零件的長度大約1m，凝固時間長達30min。采用有限元方法對熱傳輸過程進行數值模擬，如圖中所示，可得到特定時刻鑄件中的溫度分布。
　　微觀組織的研究在10-3~1mm 這一較小長度尺度範圍內。圖1。2中也顯示瞭從初始平界麵嚮液相生長的一排枝晶。由於微觀尺度上存在化學偏析，所以可以直接觀察到枝晶。當凝固過程存在液體流動時，溶質原子的輸運距離將大於局域微觀尺度，造成宏觀偏析。
　　在原子至納米長度尺度上發生的一些過程對於凝固現象同樣重要。因為固-液界麵性質以及原子附著方式同樣可以影響到晶體的生長模式。如錶麵能各嚮異性在很大程度上決定著微觀尺度上所觀察到的枝晶形貌。
　　本書第1章為概論部分，全麵而細緻地總結瞭各種凝固過程，但是不涉及深入的討論。主要目的是幫助讀者對凝固現象發生時每一過程的重要性進行正確理解並引導讀者完成後續內容的閱讀。
　　本書其他章節劃分為三大部分：基礎知識?微觀組織與缺陷。所謂基礎知識，顧名思義就是介紹研究凝固過程所必須遵循的基本原理。首先是第2章熱力學。該章將介紹凝聚態的平衡概念，包括自由能和化學勢的計算模型，以及介紹偏離平衡效應，包括麯率和動力學效應。這些概念將在第3章相圖中進一步體現，以便於研究由各相間化學平衡所構建的二元和三元平衡相圖。
　　平衡就是在足夠長的時間內，係統內部空間的溫度?組分以及壓力等都不發生變化。所以，對平衡來說，不存在有效時間或長度尺度。然而，與實際過程相關的有限時間總能導緻長度尺度上的變化，影響著最終鑄件性能。前麵介紹的各種尺度組織演化就是最好的例證。第4章將要介紹的質量?動量?熱量以及組元傳輸的控製方程正是齣於解決上述問題的目的而進行的。特彆是對單相及相界麵處的控製方程進行瞭詳細推導，並提齣瞭一個適用於描述液固兩相共存體積元的體積平均方法。該方法在隨後章節的介觀模型發展中發揮作用，從而建立起聯係微觀及宏觀尺度的橋梁。
　　本書重點放在凝固過程方麵，即液固相邊界的移動問題。理論模型的建立需要對一個事先未知位置的相界施加一些邊界條件，這是最具挑戰性的地方。第5章將介紹此方麵研究的相關解析解。這些問題對於控製及確定凝固過程各種重要的物理現象非常關鍵。然而解析模型通常僅針對一維平界麵?材料性能參數為常量且邊界條件比較簡單的特殊情況。為瞭剋服這些不足，第6章將對凝固過程的數值模擬進行介紹。
　　完成以上基礎理論介紹後，第二部分將對微觀組織演化進行闡述。同樣遵循前麵尺度劃分主綫，第7章將對形核現象進行闡述，探索液態金屬在冷卻過程中最初固相是如何形成的。在這個過程中，熱力學發揮著極為重要的作用，從亞微觀尺度上，形核取決於固液相界麵能同體積自由能的平衡，隨著晶核嚮微觀尺度上的不斷生長，晶粒將呈現齣其內在的晶體學特徵。第8章將圍繞最常見的枝晶形貌進行詳細描述。對於鑄件，與枝晶相關的長度尺度非常重要，因為它直接影響著鑄件性能以及缺陷形成，因此，這一章也將重點介紹加工參數對枝晶尺度的影響，以便有興趣的讀者能夠領會其中所蘊涵的理論。同時，我們也強調瞭一些後續章節所用到的重要結果。第9章介紹瞭共晶和包晶閤金係，即涉及熔體與兩個不同固相的凝固現象，尤其重點闡述在加工條件影響下這些閤金組織在長度尺度上的演化。
　　以上章節所涉及的各種過程將直接導緻鑄件中各種化學偏析的形成。偏析的大小及程度將影響材料的性能，並影響後續熱處理工藝（如均勻化?沉澱析齣等）。第10章介紹偏析現象的相關模型，本章會用到第5章?第6章從微觀尺度推導齣的公式。第二部分以第11章作為結束，將詳細闡述宏-微觀模型，即如何將第7~10章微觀組織演化模型與第6章宏觀模型相結閤，這能為分析真實鑄造過程提供有力的工具。
　　最後是第三部分，將對鑄件中存在的一些最常見缺陷進行詳細分析。第12章孔缺陷將介紹凝固收縮及氣體釋放如何導緻鑄件中形成縮孔。除瞭眾所周知的水?半導體矽?鍺，幾乎大多數材料的密度均隨凝固而增加，隨著凝固過程的進行，體積的減小需要液體的流動來補償，然而，這種流動受到由組織形成所導緻的黏性阻力，當這種阻礙作用足夠大時將形成縮孔。除瞭這種黏性阻礙，各種應力現象同樣存在，如來自固態熱收縮階段的應力將導緻熱裂的産生，這些將在第13章予以介紹。第14章宏觀偏析將介紹固相與液相的相對運動如何導緻宏觀尺度上的偏析。
　　……

前言/序言

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