凝固科學(xué)基礎(chǔ)

內(nèi)容概要

《凝固科學(xué)基礎(chǔ)》系統(tǒng)闡述有關(guān)凝固的基本理論，說明凝固過程的物理本質(zhì)、伴隨發(fā)生的現(xiàn)象、影響因素和控制原理。《凝固科學(xué)基礎(chǔ)》分成8章，在說明液體的結(jié)構(gòu)（第1章）和凝固發(fā)生的條件（第2章）的基礎(chǔ)上，從原子級或微觀結(jié)構(gòu)形成的角度，討論晶核的形成和晶體的長大（第3章），第4章和第5章闡述凝固過程的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳輸，第6章討論凝固過程控制與非晶態(tài)、微晶和準(zhǔn)晶的形成。隨后著重于宏觀過程，討論伴隨凝固過程發(fā)生的現(xiàn)象與對策（第7章）。從材料的角度看，前7章討論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)偏重于金屬。最后，集中討論陶瓷材料的凝固問題（第8章）?！赌炭茖W(xué)基礎(chǔ)》引入170個(gè)案例，幫助讀者理解凝固理論與工藝原理，了解研究方法。其中一些案例是作者的研究成果。

作者簡介

方大成，1936年生于廣東省廣州市。大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授。曾兼任《大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)》編委，遼寧省機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)理事、鑄造基礎(chǔ)理論學(xué)組組長。長期致力于金屬凝固與鑄造的教學(xué)和研究。曾獲遼寧省科學(xué)技術(shù)研究成果二等獎(jiǎng)、中國船舶工業(yè)總公司科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)、大連市優(yōu)秀教師稱號。1993年獲政府特殊津貼。在國內(nèi)外發(fā)表論文40余篇。主編《特種鑄造手冊》（上冊）。 姚曼，1962年生于遼寧省鞍山市。大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。曾兼任遼寧省機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)副理事長，現(xiàn)兼任中國金屬學(xué)會(huì)連續(xù)鑄鋼分會(huì)委員。長期從事金屬凝固監(jiān)測和質(zhì)量控制的教學(xué)和科研工作。負(fù)責(zé)完成國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、863項(xiàng)目以及企業(yè)項(xiàng)目等10項(xiàng)，發(fā)表論文100余篇，獲得5項(xiàng)國家發(fā)明專利。獲遼寧省優(yōu)秀青年骨干教師稱號、中國金屬學(xué)會(huì)青年優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。參與編著《連鑄結(jié)晶器》。

書籍目錄

前言 主要符號表 緒論 參考文獻(xiàn) 第1章液體結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì) 1.1液體結(jié)構(gòu)的研究方法 1.1.1X射線衍射圖 1.1.2徑向分布函數(shù) 1.2液體的結(jié)構(gòu) 1.2.1晶體的結(jié)構(gòu)簡述 1.2.2熔化引起的結(jié)構(gòu)變化 1.2.3短程序概念。 1.2.4溫度的影響。 1.2.5液體的結(jié)構(gòu)類型 1.2.6液體結(jié)構(gòu)的不均勻性 1.3熔化產(chǎn)生的物理參數(shù)變化 1.3.1潛熱 1.3.2體積變化 1.3.3導(dǎo)電、導(dǎo)熱與擴(kuò)散性能 1.4界面現(xiàn)象 1.4.1界面能 1.4.2Laplace方程 1.4.3溶質(zhì)元素的影響 1.4.4多相界面張力平衡 1.5黏度 1.5.1溫度對黏度的影響 1.5.2溶質(zhì)對黏度的影響 1.6液體結(jié)構(gòu)模型和理論 1.6.1液體結(jié)構(gòu)理論。 1.6.2液體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬 1.6.3液態(tài)中的電子態(tài) 參考文獻(xiàn) 第2章凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ) 2.1相變反應(yīng)自發(fā)性判斷標(biāo)準(zhǔn) 2.1.1過冷 2.1.2單成分系統(tǒng)△G的計(jì)算 2.1.3二元溶液的自由能一成分圖 2.2相平衡 2.2.1非均質(zhì)系內(nèi)相平衡的條件 2.2.2亞穩(wěn)相 2.2.3壓力對相平衡的影響 2.2.4界面對平衡的影響 參考文獻(xiàn) 第3章凝固的結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ) 3.1經(jīng)典形核理論 3.1.1晶核的臨界半徑 3.1.2異質(zhì)基底上結(jié)晶的條件 3.1.3形核率 3.2固一液界面結(jié)構(gòu) 3.2.1固一液界面的實(shí)驗(yàn)觀察 3.2.2固一液界面結(jié)構(gòu)模型和理論 3.3晶體生長 3.3.1動(dòng)力學(xué)過冷 3.3.2生長機(jī)制 3.3.3凝固形成的晶體缺陷 3.3.4晶界 3.3.5動(dòng)力學(xué)：生長速率 3.4凝固過程溶質(zhì)的分配 3.4.1分布系數(shù) 3.4.2平衡與非平衡凝固 3.4.3固一液界面平衡假設(shè) 3.4.4凝固時(shí)溶質(zhì)的分布規(guī)律 3.4.5無溶質(zhì)擴(kuò)散的凝固過程 第4章凝固過程的傳熱問題 第5章凝固過程液相的流動(dòng)現(xiàn)象 第6章凝固組織及其控制 第7章伴隨凝固與冷卻過程產(chǎn)生的現(xiàn)象 第8章陶瓷材料中的凝固問題 索引

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   5.2.1驅(qū)動(dòng)力 液體流動(dòng)稱為對流。液體受力引起流動(dòng)，其他部位將補(bǔ)充流體，因而過程是連續(xù)不斷的。存在三種力驅(qū)動(dòng)凝固過程液相流動(dòng)。 （1）重力：熔體與環(huán)境間存在很大的溫差，熔體內(nèi)必然存在溫度梯度。除純金屬外，凝固過程的溶質(zhì)再分配使液相內(nèi)存在濃度梯度。溫度和濃度兩種梯度聯(lián)合作用，在液相內(nèi)部形成密度梯度。在重力場條件下，它將驅(qū)使流體產(chǎn)生稱為自然對流（natural convection）的流動(dòng)，這是難以避免的。對先凝固區(qū)域產(chǎn)生空間進(jìn)行補(bǔ)縮流動(dòng)時(shí)，重力起重要作用。 （2）外力：熔體被外力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)稱為強(qiáng)迫對流（forced convection）。普遍存在的驅(qū)動(dòng)力是固相收縮產(chǎn)生的作用力，它是補(bǔ)縮流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力之一。電場和磁場產(chǎn)生的電磁力也是最常見的例子。它們有時(shí)是伴隨工藝方法形成的，如電渣重熔（electroslag remelting）工藝的密集電流會(huì)產(chǎn)生磁場引起攪動(dòng)，這種附加作用是有益的，它改進(jìn)了鑄錠組織。電磁攪拌已經(jīng)成為一種先進(jìn)工藝，安裝專用裝置以強(qiáng)迫液相在凝固過程流動(dòng)（6.5.3.2節(jié)）。 （3）界面張力：當(dāng)熔體內(nèi)氣、液、固相界面存在界面張力梯度，液體界面上的切應(yīng)力將引起稱為界面張力流或熱毛細(xì)對流的流動(dòng)。當(dāng)界面張力梯度是非穩(wěn)定時(shí)，在界面會(huì)產(chǎn)生局部的旋渦，通常稱為界面紊流，由于極大地增強(qiáng)兩相間的傳質(zhì)，它在實(shí)際應(yīng)用上十分重要。對黏性流體的層流流動(dòng)與界面紊流都進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)模型研究。界面張力是溫度和成分的函數(shù)，溫度和成分梯度是產(chǎn)生界面張力梯度的主要原因。任何界面張力的變化，都將影響液體的流動(dòng)。在一定條件下，如當(dāng)液體表面相對其體積足夠大時(shí)，界面張力差引起的力可能超過密度差引起的力，界面張力可能嚴(yán)重地影響液體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。 5.2.2凝固過程液相對流現(xiàn)象 本節(jié)通過10個(gè)有代表性的案例，幫助讀者理解凝固過程液相流動(dòng)現(xiàn)象的表現(xiàn)、形成與本質(zhì)，以及流動(dòng)對形成宏觀偏析的決定性影響。 5.2.2.1 垂直單向凝固過程糊狀區(qū)的局部對流流動(dòng) 在凝固過程形成的兩相共存的糊狀區(qū)（mushy zone）內(nèi)，在一定的條件下，會(huì)形成局部的對流流動(dòng)。這是凝固過程流動(dòng)的一種重要形態(tài)。凝固后，富集溶質(zhì)的局部流道形成偏析條帶，因此被稱為通道偏析（channel segregates）。這是一種宏觀偏析缺陷。 首先采用實(shí)驗(yàn)方法對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較簡單的垂直單向凝固進(jìn)行深入探討，獲得的成果對部分凝固系（糊狀區(qū)）內(nèi)液相流動(dòng)的研究起了推動(dòng)作用。在鹽一水系實(shí)驗(yàn)中直接觀察糊狀區(qū)內(nèi)局部流動(dòng)的形成，探討其形成條件（案例5.2），以此作為金屬鑄件的模擬，證實(shí)通道偏析條帶是局部流動(dòng)通道凝固后的產(chǎn)物。 在垂直單向凝固鑄件和真空自耗電極鑄錠垂直的斷面內(nèi)，通道偏析形態(tài)為一些小直徑的、近似平行于重力方向、斷面近似圓形的條帶（案例5.3）。它們的直徑約為枝晶間距的10倍，長度可達(dá)1m，如圖5.4和圖5.5所示，由于在橫斷面上的形狀而被稱為稱為斑點(diǎn)（freckle）缺陷。將未凝固的液相傾出，可以看到在凝固前沿（固一液界面）存在小洞，如圖5.5（c）所示，說明條帶內(nèi)液相熔點(diǎn)比較低，富集溶質(zhì)元素。例如，在Ni基合金錠中，富集了C、Al、Ti、Nb、B、Zr和Si等。

編輯推薦

《凝固科學(xué)基礎(chǔ)》主要面向材料科學(xué)與工程，特別是材料加工工程領(lǐng)域的讀者，可以作為大學(xué)有關(guān)專業(yè)的教材或參考書。對于有興趣了解凝固科學(xué)理論的讀者，《凝固科學(xué)基礎(chǔ)》可作為一本快速入門且不失全面性的參考書。

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