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；板材則通常通過焊接（也是一種凝固過程）制成有用的零部件。凝固的另一個例子是電子工業(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，凝固過程涉及的領(lǐng)域如此廣泛！這就意味著本書應(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本科生，他們終究會遇到上述范圍的某個問題，因此必須對凝固過程的基本原理和數(shù)學(xué)方法有一個全面的了解。其次是研究人員在制備一些金屬材料樣品時，為了使材料樣品具有事先確定的微觀組織，也需要對凝固的機(jī)理有基本的認(rèn)識。最后是鑄造工作者，在希望對鑄件質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制時，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。作者希望本書對上述三種讀者都能有所幫助，至少能使學(xué)生對現(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預(yù)測凝固的微觀組織，使鑄造工作者和焊接工程師們掌握一些與他們的實踐經(jīng)驗相一致的基礎(chǔ)理論知識。本書所涵蓋的內(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《凝固過程》（1974年版）基本相同。凝固理論中的許多遺留問題在本書中進(jìn)行了梳理，這些問題及其相互關(guān)系在10～20年前都是不清楚的。本書還很大程度上把近年來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在一大堆數(shù)學(xué)公式中，也分散在各類雜志里。因此，本書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)出一些比較簡單的解。書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。全書共有7章和14個附錄，系統(tǒng)地介紹了通過凝固形成晶體的基本理論，包括晶體的形核、生長、熱量質(zhì)量輸運、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▏淌?，國家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家和國家杰出青年基金獲得者，“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人選。1994年被聘為西北工業(yè)大學(xué)教授。1997-1999年任凝固技術(shù)國家重點實驗室主任。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。在國內(nèi)外刊物發(fā)表論文300余篇。獲國家級二等獎1次、省部級一等獎2次。1994年獲政府特殊津貼和光華科技獎勵基金一等獎。　　胡僑丹博士，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程中的凝固問題研究。主持國家自然科學(xué)基金、中國博士后基金、上海市博士后基金以及博士后特別研究基金項目。在國內(nèi)外刊物發(fā)表論文20多篇。

作者簡介

Wilfied Kura，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（SwissFede raI Institute ofTechnology Lausa rlne。EPFL）教授。現(xiàn)已退休。奧地利科學(xué)院通訊院士。1964年就職于日內(nèi)EBattelle實驗室。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)著物理冶金實驗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（FEMS）執(zhí)行委員會成員，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驗方面。包括：枝晶、包晶和共晶凝固，微觀偏析和固態(tài)相變動力學(xué).鋼的連續(xù)鑄造、焊接、激光處理、快速凝固、單晶生長、定向凝固、單晶激光修復(fù)等凝固過程。合著專著4本。發(fā)表論文230篇，是ISI高引用率作者之一。曾獲中國國家友誼獎。

書籍目錄

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 擾動分析參考文獻(xiàn)習(xí)題第4章 凝固的微觀組織：胞狀和樹枝狀4.1 強(qiáng)制性和非強(qiáng)制性生長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4.4 針狀晶的控制點——尖端半徑4.5 定向生長后樹枝晶的一次間距4.6 定向或等軸生長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 枝晶與共晶的競爭生長5.6 包晶生長參考文獻(xiàn)習(xí)題第6章 溶質(zhì)再分配6.1 定向凝固過程中的質(zhì)量平衡6.2 初始過渡過程6.3 穩(wěn)態(tài)6.4 末端過渡區(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 絕對穩(wěn)定性7.3 快速枝晶／胞晶生長7.4 快速共晶生長7.5 胞晶間的溶質(zhì)再分配參考文獻(xiàn)習(xí)題結(jié)束語附錄附錄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)、熱流計算附錄3 固液界面局域平衡附錄4 純物質(zhì)的形核動力學(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 共晶生長附錄11 溶質(zhì)擴(kuò)散的過渡過程附錄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)符號表中英文名詞對照表

章節(jié)摘錄

插圖：凝固是人們都熟悉的一個相變過程，最常見的凝固現(xiàn)象就發(fā)生在制作冰塊的過程中。但是很少有人注意到：幾乎每個人造物件都在其制作過程中的某個環(huán)節(jié)經(jīng)歷了凝固過程。本書的內(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）的凝固過程中是很少見的。凝固的重要性還表現(xiàn)在其主要的實際應(yīng)用方面，即鑄造（casting）。如果金屬的熔點不是太高的話，鑄造就是成形零件的非常經(jīng)濟(jì)的方法。如今，熔點高達(dá)1660℃（Ti）的合金都可以通過經(jīng)濟(jì)的鑄造方法來生產(chǎn)。金屬在熔化時其黏度（viscosity）下降約20個數(shù)量級（圖1.1）。因此，與在固態(tài)下通過鍛造（forging）變形需要極大的能量來克服剪切應(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，凝固過凝固作為一種成形手段，其最主要的優(yōu)點在于可以以最小的力使金屬成形，這是因為液態(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，從胞狀和樹枝狀生長到共晶和包晶生長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連貫的體系中。同時，以豐富的圖解給讀者以直觀啟示，以附錄形式對涉及的數(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)?！赌淘?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，對相關(guān)領(lǐng)域的研究人員也有很好的參考價值。

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