凝固原理

前言

在從工業(yè)生產(chǎn)到固體物理的許多領(lǐng)域中，凝固現(xiàn)象都起著重要的作用。例如，金屬一般都是通過(guò)連續(xù)鑄造或錠模鑄造形成錠材后再制成棒材或板材，棒材往往又是砂型鑄造、金屬型鑄造或精密鑄造的原材料；板材則通常通過(guò)焊接（也是一種凝固過(guò)程）制成有用的零部件。凝固的另一個(gè)例子是電子工業(yè)用的高純度硅的制取，原料硅必須經(jīng)過(guò)區(qū)域精煉進(jìn)而從熔體中拉出單晶硅。從成噸重的大型連續(xù)鑄錠和鑄件，到中型的高溫合金精密鑄件以及相當(dāng)小的高純度晶體，凝固過(guò)程涉及的領(lǐng)域如此廣泛！這就意味著本書(shū)應(yīng)該滿足這樣廣闊領(lǐng)域中各類讀者的需要。首先是那些研究生或高年級(jí)本科生，他們終究會(huì)遇到上述范圍的某個(gè)問(wèn)題，因此必須對(duì)凝固過(guò)程的基本原理和數(shù)學(xué)方法有一個(gè)全面的了解。其次是研究人員在制備一些金屬材料樣品時(shí)，為了使材料樣品具有事先確定的微觀組織，也需要對(duì)凝固的機(jī)理有基本的認(rèn)識(shí)。最后是鑄造工作者，在希望對(duì)鑄件質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制時(shí)，就必須處理眾多的變量和未知數(shù)，這使他們的工作呈現(xiàn)出一定的藝術(shù)色彩。作者希望本書(shū)對(duì)上述三種讀者都能有所幫助，至少能使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代凝固理論有所了解，使研究人員能用更定量化的模型來(lái)預(yù)測(cè)凝固的微觀組織，使鑄造工作者和焊接工程師們掌握一些與他們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相一致的基礎(chǔ)理論知識(shí)。本書(shū)所涵蓋的內(nèi)容與winegard的《金屬凝固導(dǎo)論》（1964年版）、（Chalmers的《凝固原理》（1964年版）和Flemings的《凝固過(guò)程》（1974年版）基本相同。凝固理論中的許多遺留問(wèn)題在本書(shū)中進(jìn)行了梳理，這些問(wèn)題及其相互關(guān)系在10～20年前都是不清楚的。本書(shū)還很大程度上把近年來(lái)一些著作中以定性論證為主改用定量模型了，從而有可能把凝固理論的主體統(tǒng)一于一個(gè)連貫的整體，并使凝固微觀組織的邏輯條理化。但這并不是說(shuō)目前凝固理論的文獻(xiàn)可立即被初學(xué)者所接受，許多最有用的信息還埋沒(méi)在一大堆數(shù)學(xué)公式中，也分散在各類雜志里。因此，本書(shū)的目的是把作者和其他研究人員的研究結(jié)果收集在一起，并盡可能推導(dǎo)出一些比較簡(jiǎn)單的解。書(shū)中每章末尾給出了所采用模型的參考文獻(xiàn)，但為了便于閱讀，沒(méi)有在文中標(biāo)出。

內(nèi)容概要

　　《凝固原理(第4版)(修訂版)》是根據(jù)瑞士W.Kurz和D.J.Fisher所著的Fundamentals of Solidificattion第四版(修訂版)翻譯的。全書(shū)共有7章和14個(gè)附錄，系統(tǒng)地介紹了通過(guò)凝固形成晶體的基本理論，包括晶體的形核、生長(zhǎng)、熱量質(zhì)量輸運(yùn)、固液界面形態(tài)及其穩(wěn)定性、溶質(zhì)再分配以及與此相關(guān)的缺陷的形成，并以固溶體、共晶和包晶三種基本合金組織形式為例進(jìn)行了分析和數(shù)學(xué)處理。每一章后面附有習(xí)題和參考文獻(xiàn)，讀者可根據(jù)需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)。　　《凝固原理(第4版)(修訂版)》不僅可作為冶金類、材料類專業(yè)本科生和研究生的教材，也可供相關(guān)領(lǐng)域的研究人員學(xué)習(xí)和參考?！　±罱▏?guó)教授，國(guó)家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家和國(guó)家杰出青年基金獲得者，“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”國(guó)家級(jí)人選。1994年被聘為西北工業(yè)大學(xué)教授。1997-1999年任凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。2000年后任上海交通大學(xué)教授。主要從事凝固理論與技術(shù)方面的研究。在國(guó)內(nèi)外刊物發(fā)表論文300余篇。獲國(guó)家級(jí)二等獎(jiǎng)1次、省部級(jí)一等獎(jiǎng)2次。1994年獲政府特殊津貼和光華科技獎(jiǎng)勵(lì)基金一等獎(jiǎng)?！　『鷥S丹博士，2001年本科畢業(yè)于四川大學(xué)，分別在四川大學(xué)和華中科技大學(xué)獲碩士和博士學(xué)位。主要從事材料合成過(guò)程中的凝固問(wèn)題研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后基金、上海市博士后基金以及博士后特別研究基金項(xiàng)目。在國(guó)內(nèi)外刊物發(fā)表論文20多篇。

作者簡(jiǎn)介

Wilfied Kura，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（SwissFede raI Institute ofTechnology Lausa rlne。EPFL）教授?，F(xiàn)已退休。奧地利科學(xué)院通訊院士。1964年就職于日內(nèi)EBattelle實(shí)驗(yàn)室。1 971年作為物理冶金方面的帶頭人任職于瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院。直到其退休的2003年，一直領(lǐng)導(dǎo)著物理冶金實(shí)驗(yàn)室和激光材料加工中心，并兩次出任材料科學(xué)與工程系主任。2001-2007年任歐洲材料聯(lián)合會(huì)（FEMS）執(zhí)行委員會(huì)成員，并于2004-2005年間擔(dān)任主席。Wilfried Kurz教授的主要研究工作集中在材料微觀組織形成的理論和實(shí)驗(yàn)方面。包括：枝晶、包晶和共晶凝固，微觀偏析和固態(tài)相變動(dòng)力學(xué).鋼的連續(xù)鑄造、焊接、激光處理、快速凝固、單晶生長(zhǎng)、定向凝固、單晶激光修復(fù)等凝固過(guò)程。合著專著4本。發(fā)表論文230篇，是ISI高引用率作者之一。曾獲中國(guó)國(guó)家友誼獎(jiǎng)。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論1.1 凝固的重要性1.2 散熱1.3 凝固的微觀組織1.4 毛細(xì)作用1.5 溶質(zhì)再分配參考文獻(xiàn)習(xí)題第2章 固液界面的原子遷移2.1 形核條件2.2 形核率2.3 界面結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)習(xí)題第3章 固液界面的形態(tài)不穩(wěn)定性3.1 純物質(zhì)的界面不穩(wěn)定性3.2 平面狀固液界面前沿的溶質(zhì)富集3.3 合金的界面不穩(wěn)定性3.4 擾動(dòng)分析參考文獻(xiàn)習(xí)題第4章 凝固的微觀組織：胞狀和樹(shù)枝狀4.1 強(qiáng)制性和非強(qiáng)制性生長(zhǎng)4.2 枝晶的形態(tài)和晶體學(xué)4.3 針狀晶尖端的擴(kuò)散場(chǎng)4.4 針狀晶的控制點(diǎn)——尖端半徑4.5 定向生長(zhǎng)后樹(shù)枝晶的一次間距4.6 定向或等軸生長(zhǎng)后的二次間距參考文獻(xiàn)習(xí)題第5章 凝固的微觀組織：共晶和包晶5.1 規(guī)則和不規(guī)則共晶5.2 擴(kuò)散共生生長(zhǎng)5.3 毛細(xì)效應(yīng)5.4 共晶的作用范圍5.5 枝晶與共晶的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)5.6 包晶生長(zhǎng)參考文獻(xiàn)習(xí)題第6章 溶質(zhì)再分配6.1 定向凝固過(guò)程中的質(zhì)量平衡6.2 初始過(guò)渡過(guò)程6.3 穩(wěn)態(tài)6.4 末端過(guò)渡區(qū)6.5 小區(qū)域液相系統(tǒng)中的快速擴(kuò)散6.6 微觀偏析參考文獻(xiàn)習(xí)題第7章 快速凝固的微觀組織7.1 偏離局域平衡7.2 絕對(duì)穩(wěn)定性7.3 快速枝晶／胞晶生長(zhǎng)7.4 快速共晶生長(zhǎng)7.5 胞晶間的溶質(zhì)再分配參考文獻(xiàn)習(xí)題結(jié)束語(yǔ)附錄附錄1 宏觀熱流的數(shù)學(xué)模型附錄2 組織形成相關(guān)的質(zhì)、熱流計(jì)算附錄3 固液界面局域平衡附錄4 純物質(zhì)的形核動(dòng)力學(xué)附錄5 固液界面的原子結(jié)構(gòu)附錄6 快速凝固熱力學(xué)附錄7 界面穩(wěn)定性分析附錄8 枝晶尖端的擴(kuò)散附錄9 枝晶尖端半徑與間距附錄10 共晶生長(zhǎng)附錄11 溶質(zhì)擴(kuò)散的過(guò)渡過(guò)程附錄12 質(zhì)量平衡方程附錄13 固態(tài)下枝晶間偏析的均質(zhì)化附錄14 一些與凝固相關(guān)的物理參數(shù)符號(hào)表中英文名詞對(duì)照表

章節(jié)摘錄

插圖：凝固是人們都熟悉的一個(gè)相變過(guò)程，最常見(jiàn)的凝固現(xiàn)象就發(fā)生在制作冰塊的過(guò)程中。但是很少有人注意到：幾乎每個(gè)人造物件都在其制作過(guò)程中的某個(gè)環(huán)節(jié)經(jīng)歷了凝固過(guò)程。本書(shū)的內(nèi)容主要限定在介紹最常用的材料，即金屬合金的凝固理論范圍。在金屬凝固過(guò)程中常常伴隨著晶體的產(chǎn)生，這在玻璃陶瓷（glassceramic）和聚合物（polyme）的凝固過(guò)程中是很少見(jiàn)的。凝固的重要性還表現(xiàn)在其主要的實(shí)際應(yīng)用方面，即鑄造（casting）。如果金屬的熔點(diǎn)不是太高的話，鑄造就是成形零件的非常經(jīng)濟(jì)的方法。如今，熔點(diǎn)高達(dá)1660℃（Ti）的合金都可以通過(guò)經(jīng)濟(jì)的鑄造方法來(lái)生產(chǎn)。金屬在熔化時(shí)其黏度（viscosity）下降約20個(gè)數(shù)量級(jí)（圖1.1）。因此，與在固態(tài)下通過(guò)鍛造（forging）變形需要極大的能量來(lái)克服剪切應(yīng)力（shearstress）不同，在液態(tài)下變形的剪切應(yīng)力幾乎為零。要使鑄件的性能更容易控制，凝固過(guò)凝固作為一種成形手段，其最主要的優(yōu)點(diǎn)在于可以以最小的力使金屬成形，這是因?yàn)橐簯B(tài)金屬抵抗剪切應(yīng)力的能力很弱的緣故。

編輯推薦

《凝固原理(第4版)(修訂版)》以定量模型為主線，從固液界面的原子遷移、界面結(jié)構(gòu)到界面穩(wěn)定性和溶質(zhì)再分配，從胞狀和樹(shù)枝狀生長(zhǎng)到共晶和包晶生長(zhǎng)以及快速凝固的組織形成，系統(tǒng)地揭示了凝固組織形成的一般規(guī)律，把凝固理論的主體整合于一個(gè)連貫的體系中。同時(shí)，以豐富的圖解給讀者以直觀啟示，以附錄形式對(duì)涉及的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了推演，并提供了習(xí)題和大量參考文獻(xiàn)。《凝固原理(第4版)(修訂版)》不僅可作為冶金、材料類專業(yè)的教學(xué)用書(shū)，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究人員也有很好的參考價(jià)值。

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