先進(jìn)材料定向凝固

前言

2006年中國(guó)工程院第12次院士大會(huì)期間，傅恒志院士向我提及擬組織相關(guān)同志撰寫《先進(jìn)材料定向凝固》一書，我當(dāng)即表示十分支持，這不僅是因?yàn)槲覍?duì)傅先生在這一領(lǐng)域中斐然的學(xué)術(shù)成就早已十分敬慕，還深知他是治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念I(lǐng)軍人物，承擔(dān)著這一學(xué)科的國(guó)家重大科研項(xiàng)目，并培養(yǎng)出了不少優(yōu)秀的中青年科研、教學(xué)帶頭人。院士大會(huì)后，我曾聽說傅先生患了眼疾，也著實(shí)為他掛念了一番，卻不料今年的院士大會(huì)前夕，100余萬(wàn)字的書稿已請(qǐng)人送到我的案頭，并要我為之作序。我用了整整兩天的時(shí)間，逐頁(yè)拜讀。對(duì)于多少也做過一點(diǎn)凝固研究的我來說，又一次系統(tǒng)重溫了相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，更可喜的是學(xué)到了不少先進(jìn)材料定向凝固方面的新知識(shí)。欣喜之余，也感到作序之難，一是因?yàn)槲覍?duì)于凝固，特別是先進(jìn)材料的定向凝固，相對(duì)于先生仍是后學(xué)者，難免羞于提筆；二是在這樣一本嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)巨著面前說“空話”、“套話”，我認(rèn)為是沒意義的。思忖再三，決定還是就凝固及定向凝固的問題闡述一點(diǎn)“管見”，稱不得序，就算作引言或前言吧!人類對(duì)凝固現(xiàn)象的觀察或認(rèn)識(shí)，應(yīng)始于人類文明遠(yuǎn)未發(fā)展的遠(yuǎn)古時(shí)期。篆文中的凝字由“仌”(水的一種古寫)及“疑”(為聲)組合而成，從古漢語(yǔ)來說，是既有形又有聲的一個(gè)形聲字?！澳痹谥袊?guó)古代文人的眼中是十分美麗而寓有詩(shī)意的字，著名邊寨詩(shī)人岑參在《老馬川行奉送出師西征》中有“五花連錢旋作冰，幕中草檄硯水凝”的佳句，甚至可以浪漫地拓意到音樂演奏中聲波的戛然停頓的情景，如白居易在《琵琶行》中就有“冰泉冷澀弦凝絕，凝絕不通聲暫歇”的描述。而“固”也是個(gè)形聲字，其“口”為城墻或院墻之形，“古”為聲，本義是指四周密閉，牢固、堅(jiān)固之意，如形容城防堅(jiān)固的“固若金湯”之類的詞。因而，從中文的“凝固”來看，凝是過程，是事物變化的本質(zhì)現(xiàn)象，而固是結(jié)果，顯然中國(guó)人看重的是過程。而英文的凝固——solidification一詞，其字根是solid即固體，solidification是個(gè)動(dòng)名詞，因而如果硬譯、直譯，應(yīng)該是“使固化”或“使變硬”，因此英文中的凝固一詞，側(cè)重點(diǎn)似乎是最終狀態(tài)。當(dāng)然，在20世紀(jì)中期以前，這兩者幾乎沒有太大的差別，因?yàn)椴还芩裳?、結(jié)成冰，還是熔融的金屬鑄成形態(tài)各異的鑄件，鋼水澆成鋼錠，既有過程，也有結(jié)果，從哪個(gè)側(cè)重點(diǎn)看區(qū)別都不太大，因?yàn)楫?dāng)時(shí)研究凝固的重要手段，是相圖、凝固點(diǎn)、形核條件等熱力學(xué)參數(shù)與理論，它的研究本身就是解決可能與否的問題。所以，從熱力學(xué)而言，其判據(jù)只與起始和最終狀態(tài)有關(guān)，而與途徑是無(wú)關(guān)的。最近50年，當(dāng)凝固從工藝技術(shù)變成一門科學(xué)時(shí)，凝固過程的動(dòng)力學(xué)及形態(tài)組織控制就漸漸成為了研究的主體。簡(jiǎn)而言之，只有按一定的方式、一定的速度、一定的方向“凝”，才能得到人們想要獲得的某種材料的組織形態(tài)，某種性能的“固”體材料。所以，從這個(gè)意義來說，古代中國(guó)人對(duì)凝固的認(rèn)識(shí)似乎更深刻、更具哲理。凝固的研究對(duì)象，最早是銅、鐵等比較單純的金屬及若干低熔點(diǎn)銅、錫的合金。

內(nèi)容概要

本書是我國(guó)著名冶金和材料學(xué)家傅恒志院士及其學(xué)術(shù)梯隊(duì)幾十年從事材料定向凝固研究工作的總結(jié)和升華。它在作者多年研究成果的基礎(chǔ)上，吸收國(guó)內(nèi)外關(guān)于定向凝固的最新研究成果，以先進(jìn)結(jié)構(gòu)和功能材料為研究對(duì)象，對(duì)定向凝固的理論及其應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)深入的分析和闡述。本書共分為十四章，第一章為緒論，第二～第九章為定向凝固理論及方法，第十～第十三章為先進(jìn)結(jié)構(gòu)和功能材料的定向凝固，第十四章為定向凝固組織形成過程模擬。    本書可作為從事材料及其加工方面的高等院校教師，科學(xué)研究人員和企業(yè)中的工程技術(shù)人員及研究生的參考書。

作者簡(jiǎn)介

傅恒志，中國(guó)工程院院士，我國(guó)著名材料及冶金學(xué)家，西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、河南理工大學(xué)教授，1984～1992年為西北工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)，國(guó)際高校科學(xué)院院士，俄羅斯宇航科學(xué)院外籍院士。曾任中國(guó)航空學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)常務(wù)理事、陜西省航空學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、西安市科協(xié)名譽(yù)主席。長(zhǎng)期從事高溫材料和凝固科學(xué)技術(shù)的教學(xué)及研究工作。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)及國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)三項(xiàng)、省部級(jí)獎(jiǎng)十一項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文六百余篇，出版專著六部。

書籍目錄

序一序二前言第一章  緒論  1.1  凝固的歷史發(fā)展與凝固科學(xué)的形成  1.2  定向凝固在材料制備中發(fā)揮重要作用  1.3  定向凝固面臨的挑戰(zhàn)  1.4  定向凝固發(fā)展展望  參考文獻(xiàn)第二章  凝固過程的物理基礎(chǔ)  2.1  凝固熱力學(xué)  2.2  液體金屬和合金的結(jié)構(gòu)  2.3  凝固過程傳輸現(xiàn)象及研究方法  參考文獻(xiàn)第三章  形核理論與凝固界面結(jié)構(gòu)  3.1  均質(zhì)形核理論  3.2  非均質(zhì)生核理論  3.3  影響形核速率的因素  3.4  結(jié)晶游離理論  3.5  經(jīng)典形核理論的發(fā)展  3.6  多元多相合金凝固的形核理論  3.7  定向凝固初始過渡區(qū)內(nèi)的形核  3.8  界面的基本理論  3.9  凝固界面的微觀結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)  3.10  凝固界面的宏觀形態(tài)  3.11  凝固界面的研究方法  參考文獻(xiàn)第四章  定向凝固過程中的溶質(zhì)分凝與偏析  4.1  平衡分凝系數(shù)  4.2  近平衡定向凝固過程中溶質(zhì)分凝與偏析  4.3  非平衡溶質(zhì)分凝現(xiàn)象  4.4  多層界面的溶質(zhì)分凝系數(shù)  4.5  團(tuán)簇與界面溶質(zhì)分凝  4.6  多相合金定向凝固過程中的溶質(zhì)分凝  4.7  多元合金凝固過程中的溶質(zhì)分凝  4.8  溶質(zhì)分凝的研究方法  參考文獻(xiàn)第五章  單相合金定向凝固與界面穩(wěn)定性  5.1  單相合金定向凝固  5.2  界面形態(tài)穩(wěn)定性的動(dòng)力學(xué)理論  5.3  定向凝固特征尺度  5.4  胞晶生長(zhǎng)與胞-枝轉(zhuǎn)換  5.5  枝晶生長(zhǎng)  5.6  定向凝固枝晶生長(zhǎng)  5.7  胞-枝及枝-胞轉(zhuǎn)變  參考文獻(xiàn)第六章  共晶定向凝固  6.1  前言  6.2  共晶相變  6.3  共晶合金凝固的物理基礎(chǔ)  6.4  規(guī)則共晶的定向凝固  6.5  不規(guī)則共晶定向凝固  參考文獻(xiàn)第七章  包晶與偏晶合金定向凝固  7.1  包晶相變過程  7.2  包晶合金的定向凝固與顯微組織  7.3  多元系包晶  7.4  包晶合金定向凝固初始過渡階段  7.5  包晶合金穩(wěn)態(tài)定向凝固  7.6  包晶合金定向凝固的共生生長(zhǎng)  7.7  定向凝固包晶顯微組織的演化  7.8  偏晶合金定向凝固  參考文獻(xiàn)第八章  快速定向凝固  8.1  快速定向凝固方法  8.2  快速定向凝固的基本原理和特征  8.3  快速定向凝固的組織特點(diǎn)  8.4  快速凝固帶狀結(jié)構(gòu)  參考文獻(xiàn)第九章  定向凝固方法  9.1  常用定向凝固方法  9.2  定向凝固單向溫度梯度的解析  9.3  定向凝固過程的穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)與凝固界面位置控制  9.4  定向凝固組織的觀測(cè)  9.5  定向凝固有關(guān)參數(shù)的測(cè)算  參考文獻(xiàn)第十章  高溫合金定向凝固  10.1  鑄造高溫合金概述  10.2  高溫合金定向凝固技術(shù)  10.3  高溫合金的凝固特性  10.4  高溫合金定向凝固組織  10.5  定向和單晶高溫合金的常見凝固缺陷及其控制  10.6  定向凝固和單晶高溫合金的力學(xué)性能  參考文獻(xiàn)第十一章  結(jié)構(gòu)金屬間化合物材料定向凝固  11.1  前言  11.2 金屬間化合物材料的應(yīng)用  11.3  金屬問化合物的熔體結(jié)構(gòu)與凝固特性  11.4  Ti—Al金屬問化合物及其定向凝固  11.5  Ni—Al系金屬間化合物定向凝固  11.6  高熔點(diǎn)金屬化合物材料及其定向凝固  參考文獻(xiàn)第十二章  結(jié)構(gòu)陶瓷材料定向凝固  12.1  共晶陶瓷材料體系  12.2  氧化物共晶陶瓷定向凝固制備技術(shù)  12.3  定向凝固氧化物共晶陶瓷的凝固組織  12.4  定向凝固氧化物共晶陶瓷的力學(xué)性能  參考文獻(xiàn)第十三章  典型功能材料的定向凝固  13.1  Cu單晶定向凝固連鑄  13.2  NdFeB稀土永磁材料定向凝固  13.3  高溫超導(dǎo)氧化物YBcO定向凝固  參考文獻(xiàn)第十四章  定向凝固與組織形成過程模擬  14.1  定向凝固傳熱特點(diǎn)  14.2  定向凝固過程的溫度場(chǎng)模型化  14.3  典型定向凝固溫度場(chǎng)計(jì)算  14.4  定向凝固組織形成過程模擬方法比較  14.5  單相合金凝固微觀組織形成的相場(chǎng)法模擬  14.6  定向凝固共晶相變微觀組織形成的相場(chǎng)法模擬  14.7  定向凝固包晶相變微觀組織形成的相場(chǎng)模擬  14.8  未來的發(fā)展展望  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第二章　凝固過程的物理基礎(chǔ)2.1　凝固熱力學(xué)材料熱力學(xué)是經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論在材料研究方面的應(yīng)用，其目的在于揭示材料中的相和組織形成規(guī)律。固態(tài)材料中的熔化與凝固以及各類固態(tài)相變、相平衡關(guān)系和相平衡成分的確定、結(jié)構(gòu)上的物理和化學(xué)有序性以及各類晶體缺陷的形成條件等是其主要研究對(duì)象。凝固熱力學(xué)的主要任務(wù)是研究在金屬凝固過程中各種相變的熱力學(xué)條件；平衡條件或非平衡條件下的固相、液相或固一液界面的溶質(zhì)成分；溶質(zhì)平衡分凝系數(shù)的熱力學(xué)意義及壓力對(duì)晶體曲率的影響等[1]。2.1.1　熱力學(xué)函數(shù)與相變熱力學(xué)在物理冶金中的主要用途就是判斷合金是否處在平衡狀態(tài)。在研究相變問題時(shí)，總是涉及朝平衡方向的變化。因此，熱力學(xué)是一個(gè)有效的工具。相變就是一個(gè)合金（系統(tǒng)）中的一相或多相如何轉(zhuǎn)變成一個(gè)新相或混合的幾個(gè)新相。之所以發(fā)生相變完全是因?yàn)橄鄬?duì)于終態(tài)來說合金的始態(tài)是不穩(wěn)定的。

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