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　　《凝固》可以作为材料类专业本科生和研究生的教材,也可供相关领域的研究人员学习和参考.

内容简介

　　《凝固》根据Dantzig和Rappaz所著的Solidification 翻译而成.《凝固》主要分为三部分.第一部分为理论基础和宏观现象,包括溶体的热力学理论?平衡相图?传输现象以及液固相变中一些重要问题.第二部分运用形核?枝晶生长?微观偏析?共晶/包晶凝固?组织形成竞争等基本概念对凝固微观组织进行描述,重点讨论组织形成过程中宏观?微观现象的耦合.第三部分讨论凝固过程中形成的缺陷,重点介绍空位?热裂和宏观偏析.

目　　录

前言
术语
第1章绪论
　1.1概述
　1.2凝固过程
　1.3小结
　参考文献
第一部分基本原理与宏观现象
第2章热力学
　2.1概述
　2.2一元系统热力学
　2.3二元合金
　2.4偏离平衡
　2.5小结

前言 
术语 
第1章绪论 
　1.1概述 
　1.2凝固过程 
　1.3小结 
　参考文献 
第一部分基本原理与宏观现象 
第2章热力学 
　2.1概述 
　2.2一元系统热力学 
　2.3二元合金 
　2.4偏离平衡 
　2.5小结 
　练习 
　参考文献 
第3章相图 
　3.1概述 
　3.2二元体系 
　3.3三元体系 
　3.4小结 
　练习 
　参考文献 
第4章平衡方程 
　4.1概述 
　4.2质量平衡 
　4.3动量平衡 
　4.4能量平衡 
　4.5多元系中的溶质平衡 
　4.6无量纲化 
　4.7小结 
　练习 
　参考文献 
第5章凝固中的解析解 
　5.1概述 
　5.2过热熔体中的凝固 
　5.3过冷熔体中的凝固 
　5.4曲率效应 
　5.5小结 
　练习 
　参考文献 
第6章凝固研究的数值方法 
　6.1概述 
　6.2无相变热传导 
　6.3相变中的热传导 
　6.4流动 
　6.5最优化和逆向方法 
　6.6小结 
　练习 
　参考文献 
第二部分微观组织 
第7章形核 
　7.1概述 
　7.2均质形核 
　7.3异质形核 
　7.4晶粒的细化机制 
　7.5小结 
　练习 
　参考文献 
第8章枝晶生长 
　8.1概述 
　8.2自由生长 
　8.3约束生长 
　8.4针状枝晶的生长 
　8.5对流和枝晶生长 
　8.6相场法 
　8.7小结 
　练习 
　参考文献 
第9章共晶?包晶及微观组织选择 
　9.1概述 
　9.2共晶 
　9.3包晶合金 
　9.4相选择和共生区 
　9.5小结 
　练习 
　参考文献 
第10章微观偏析和均匀化处理 
　10.1概述 
　10.2二元合金的一维微观偏析模型 
　10.3均匀化和固溶处理 
　10.4多元合金 
　10.5小结 
　练习 
　参考文献 
第11章宏观与微观组织 
　11.1概述 
　11.2均匀温度场下的等轴晶生长 
　11.3温度梯度存在时晶粒的形核与生长 
　11.4柱状晶粒 
　11.5柱状晶-等轴晶转变 
　11.6微观与宏观模型 
　11.7小结 
　练习 
　参考文献 
第三部分缺陷 
第12章孔缺陷 
　12.1概述 
　12.2控制方程 
　12.3枝晶间流动和压降 
　12.4气体在溶液中的热力学 
　12.5孔洞形核和生长模型 
　12.6边界条件 
　12.7概念的应用 
　12.8小结 
　练习 
　参考文献 
第13章凝固中的变形与热裂 
　13.1概述 
　13.2铸造热力学 
　13.3糊状区的变形 
　13.4热裂 
　13.5热裂的判定准则和模型 
　13.6小结 
　练习 
　参考文献 
第14章宏观偏析 
　14.1概述 
　14.2凝固过程中平界面前沿的宏观偏析 
　14.3溶质场和控制方程 
　14.4凝固收缩导致的宏观偏析 
　14.5液流导致的宏观偏析 
　14.6固相运动导致的宏观偏析 
　14.7小结 
　练习 
　参考文献

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在线试读部分章节

　　第1章绪论
　　1.1 概述
　　凝固过程与我们生活诸多方面密不可分，无论橱窗上结霜还是在冰盒中制冰，无论电路板上焊料的固化还是工业用铝和钢的铸造，都离不开凝固过程.在人类历史的长河中，凝固始终引领时代的发展，以至于一些历史时代划分都是按当时所能冶炼的合金命名的.公元前4000年~前1200年是青铜时代，那个时代由铜合金制造的武器和生活用具盛行于整个欧亚大陆，如图1.1(a)所示.然而，自公元前1200年左右，铁合金熔铸技术被掌握后，凭借其优异性能迅速取代铜合金，一跃成为制备武器?礼器和其他生活器具的首选材料.图1.1(b)展示了一个铁器时代的斧头.不过在古代，一些特殊钢种，如远近闻名且极富传奇色彩的大马士革钢(damascussteel)是通过机械方法制造的.
　　1858年，贝西默(Bessemer)转炉炼钢法的问世使得钢水得以大规模生产，并可铸成不同形状铸锭以便后续锻造加工.该方法作为工业革命的重要发明之一，为铁路运输业和后来的汽车工业奠定了基础.同样，诞生于1886年的Hall-Héroult炼铝法使铝合金铸件的大规模生产成为可能，从而促进了20世纪航空工业的蓬勃发展.
　　掌握金属的冶炼技术使得人们能够顺利调整控制合金成分成为可能，从而得到不同成分的最终合金成品件或者半成品铸锭，半成品铸锭接着在固态条件下又可以被压制成板材?带材或其他锻件.凝固是上述工业生产过程的关键一环，决定着零件在后续加工过程中的成分及初始结构.整个20世纪上半叶，冶金学家一直在探索如何理解铸件性能同凝固工艺之间千丝万缕的联系.
　　1964年，Chalmers[3]里程碑式著作?凝固原理?的出版标志着凝固艺术与实践走进了工程科技领域.该书提出了描述合金凝固过程中溶质分配的一些基本数学模型，并解释了平界面和球形生长中组织形态(如枝晶)的演化机制.十年后，Flemin-s[4]的?凝固技术?扩展了上述建模方法，并提出了新模型用以描述微观结构特征的演化，如枝晶臂间距和偏析形态.该模型首先开始定量研究凝固参数(如冷却速率和温度梯度)及其与合金固有性质(如凝固区间和基本相图)的交互作用对最终铸件微观结构的影响.在接下来的十年间，人们在凝固组织花样形成规律，尤其关于枝晶生长尺度方面，取得了许多重要进展.其中尤以Kurz和Fisher[6]合著的?凝固基础?最为出名，该书对合金组织演化过程进行了颇为详尽的描述.

第1章 绪论 
　　1.1 概述 
　　凝固过程与我们生活诸多方面密不可分，无论橱窗上结霜还是在冰盒中制冰，无论电路板上焊料的固化还是工业用铝和钢的铸造，都离不开凝固过程.在人类历史的长河中，凝固始终引领时代的发展，以至于一些历史时代划分都是按当时所能冶炼的合金命名的.公元前4000年~前1200年是青铜时代，那个时代由铜合金制造的武器和生活用具盛行于整个欧亚大陆，如图1.1(a)所示.然而，自公元前1200年左右，铁合金熔铸技术被掌握后，凭借其优异性能迅速取代铜合金，一跃成为制备武器?礼器和其他生活器具的首选材料.图1.1(b)展示了一个铁器时代的斧头.不过在古代，一些特殊钢种，如远近闻名且极富传奇色彩的大马士革钢(damascussteel)是通过机械方法制造的. 
　　1858年，贝西默(Bessemer)转炉炼钢法的问世使得钢水得以大规模生产，并可铸成不同形状铸锭以便后续锻造加工.该方法作为工业革命的重要发明之一，为铁路运输业和后来的汽车工业奠定了基础.同样，诞生于1886年的Hall-Héroult炼铝法使铝合金铸件的大规模生产成为可能，从而促进了20世纪航空工业的蓬勃发展. 
　　掌握金属的冶炼技术使得人们能够顺利调整控制合金成分成为可能，从而得到不同成分的最终合金成品件或者半成品铸锭，半成品铸锭接着在固态条件下又可以被压制成板材?带材或其他锻件.凝固是上述工业生产过程的关键一环，决定着零件在后续加工过程中的成分及初始结构.整个20世纪上半叶，冶金学家一直在探索如何理解铸件性能同凝固工艺之间千丝万缕的联系. 
　　1964年，Chalmers[3]里程碑式著作?凝固原理?的出版标志着凝固艺术与实践走进了工程科技领域.该书提出了描述合金凝固过程中溶质分配的一些基本数学模型，并解释了平界面和球形生长中组织形态(如枝晶)的演化机制.十年后，Flemin-s[4]的?凝固技术?扩展了上述建模方法，并提出了新模型用以描述微观结构特征的演化，如枝晶臂间距和偏析形态.该模型首先开始定量研究凝固参数(如冷却速率和温度梯度)及其与合金固有性质(如凝固区间和基本相图)的交互作用对最终铸件微观结构的影响.在接下来的十年间，人们在凝固组织花样形成规律，尤其关于枝晶生长尺度方面，取得了许多重要进展.其中尤以Kurz和Fisher[6]合著的?凝固基础?最为出名，该书对合金组织演化过程进行了颇为详尽的描述. 
　　本书有望成为上述研究发展的延续.自从Kurz和Fisher的专著出版后，大规模计算被引入凝固研究中，极大地促进了凝固理论及其应用的发展.相场方法的发展可以用来更深入地理解复杂凝固组织的演化.同时，低成本大规模计算机和商用软件包的广泛应用允许人们直接对宏观热传输?溶质传输以及实际形状中流体流动进行实际模拟.体积平均理论和微观结构统计学表征则在微观和宏观尺度间架起了桥梁.本书的目标就是将这些早期著作中的模型以及最新发展的模型进行整合:以基本概念为基础，逐步引入重点内容，即解析模型和数值模型的实际应用. 
　　本书将以图1.2中所划分的不同空间和时间尺度范围内所涉及的各种现象为主线.在宏观长度尺度上，几何形状及加工条件决定了不同位置的凝固过程.该图以六缸发动机缸体为例，零件的长度大约1m，凝固时间长达30min.采用有限元方法对热传输过程进行数值模拟，如图中所示，可得到特定时刻铸件中的温度分布. 
　　微观组织的研究在10-3~1mm 这一较小长度尺度范围内.图1.2中也显示了从初始平界面向液相生长的一排枝晶.由于微观尺度上存在化学偏析，所以可以直接观察到枝晶.当凝固过程存在液体流动时，溶质原子的输运距离将大于局域微观尺度，造成宏观偏析. 
　　在原子至纳米长度尺度上发生的一些过程对于凝固现象同样重要.因为固-液界面性质以及原子附着方式同样可以影响到晶体的生长模式.如表面能各向异性在很大程度上决定着微观尺度上所观察到的枝晶形貌. 
　　本书第1章为概论部分，全面而细致地总结了各种凝固过程，但是不涉及深入的讨论.主要目的是帮助读者对凝固现象发生时每一过程的重要性进行正确理解并引导读者完成后续内容的阅读. 
　　本书其他章节划分为三大部分:基础知识?微观组织与缺陷.所谓基础知识，顾名思义就是介绍研究凝固过程所必须遵循的基本原理.首先是第2章热力学.该章将介绍凝聚态的平衡概念，包括自由能和化学势的计算模型，以及介绍偏离平衡效应，包括曲率和动力学效应.这些概念将在第3章相图中进一步体现，以便于研究由各相间化学平衡所构建的二元和三元平衡相图. 
　　平衡就是在足够长的时间内，系统内部空间的温度?组分以及压力等都不发生变化.所以，对平衡来说，不存在有效时间或长度尺度.然而，与实际过程相关的有限时间总能导致长度尺度上的变化，影响着最终铸件性能.前面介绍的各种尺度组织演化就是最好的例证.第4章将要介绍的质量?动量?热量以及组元传输的控制方程正是出于解决上述问题的目的而进行的.特别是对单相及相界面处的控制方程进行了详细推导，并提出了一个适用于描述液固两相共存体积元的体积平均方法.该方法在随后章节的介观模型发展中发挥作用，从而建立起联系微观及宏观尺度的桥梁. 
　　本书重点放在凝固过程方面，即液固相边界的移动问题.理论模型的建立需要对一个事先未知位置的相界施加一些边界条件，这是最具挑战性的地方.第5章将介绍此方面研究的相关解析解.这些问题对于控制及确定凝固过程各种重要的物理现象非常关键.然而解析模型通常仅针对一维平界面?材料性能参数为常量且边界条件比较简单的特殊情况.为了克服这些不足，第6章将对凝固过程的数值模拟进行介绍. 
　　完成以上基础理论介绍后，第二部分将对微观组织演化进行阐述.同样遵循前面尺度划分主线，第7章将对形核现象进行阐述，探索液态金属在冷却过程中最初固相是如何形成的.在这个过程中，热力学发挥着极为重要的作用，从亚微观尺度上，形核取决于固液相界面能同体积自由能的平衡，随着晶核向微观尺度上的不断生长，晶粒将呈现出其内在的晶体学特征.第8章将围绕最常见的枝晶形貌进行详细描述.对于铸件，与枝晶相关的长度尺度非常重要，因为它直接影响着铸件性能以及缺陷形成，因此，这一章也将重点介绍加工参数对枝晶尺度的影响，以便有兴趣的读者能够领会其中所蕴涵的理论.同时，我们也强调了一些后续章节所用到的重要结果.第9章介绍了共晶和包晶合金系，即涉及熔体与两个不同固相的凝固现象，尤其重点阐述在加工条件影响下这些合金组织在长度尺度上的演化. 
　　以上章节所涉及的各种过程将直接导致铸件中各种化学偏析的形成.偏析的大小及程度将影响材料的性能，并影响后续热处理工艺(如均匀化?沉淀析出等).第10章介绍偏析现象的相关模型，本章会用到第5章?第6章从微观尺度推导出的公式.第二部分以第11章作为结束，将详细阐述宏-微观模型，即如何将第7~10章微观组织演化模型与第6章宏观模型相结合，这能为分析真实铸造过程提供有力的工具. 
　　最后是第三部分，将对铸件中存在的一些最常见缺陷进行详细分析.第12章孔缺陷将介绍凝固收缩及气体释放如何导致铸件中形成缩孔.除了众所周知的水?半导体硅?锗，几乎大多数材料的密度均随凝固而增加，随着凝固过程的进行，体积的减小需要液体的流动来补偿，然而，这种流动受到由组织形成所导致的黏性阻力，当这种阻碍作用足够大时将形成缩孔.除了这种黏性阻碍，各种应力现象同样存在，如来自固态热收缩阶段的应力将导致热裂的产生，这些将在第13章予以介绍.第14章宏观偏析将介绍固相与液相的相对运动如何导致宏观尺度上的偏析. 
　　1.2 凝固过程 
　　1.2.1 充型铸造 
　　铸造是一种制备复杂结构件最经济的加工技术，其应用涵盖从批量生产的汽车零部件(如发动机缸体?气缸盖?悬架和制动器部件等)到珠宝?雕像等单个物件.所有加工都在一个与最终零件相对应的空腔铸型内完成，通过液体的充填，然后依靠铸型向外散失热量，凝固结束后获得铸件.如表1.1所示，不同铸造方法的主要区别在于铸型材料和型腔加工方式.接下来将逐一介绍每一种铸造方法. 
　　1. 砂型铸造 
　　砂型铸造，有时又称翻砂铸造，是复杂形零件批量生产的一种常用方法.可重复使用的模样通常由木头?金属或其他适合的材料制成.该模样具有和目标零件同样的形状，且可适当放大以调节凝固过程.例如，零件尺寸可以增加一个“收缩因子”，以补偿从凝固温度冷却到室温过程由于热收缩引起的体积变化(通常几个百分比).为了便于在浇铸前取模，模样有时也不得不与目标零件有一定差异.此外，有时需要增设冒口以便凝固补缩，设置浇口以便引导液态金属充型. 
　　铸型在砂箱内制成，通常由上下两部分组成，如图1.3所示.通常在手工造型过程中，下半模放在平板上，下砂箱倒置，接着填充型砂混合物，并不断紧实直到确保在模样移除后砂型具有足够的强度.造型用砂一般为硅砂?膨润土(黏土)和水的混合物，其质量比为96∶4∶4.混合物颗粒尺寸可通过过筛来控制.下型箱制成后，随即被正置，并放置上砂箱与之配合.将上半模样与下半模样连接放好.在分型面上撒上分型剂，如骨粉，接着上砂箱也被型砂填充并紧实.随后分离这两个对分砂型箱，并移除模样，形成型腔.上砂型有时在这两个部分装配后单独制造.这在机器造型中更为常见.模样移除后，砂芯便可放进型腔内以形成铸件内的通道.通常还要在铸件表面对应上下砂型结合部位添加分型线. 
　　除了模样部分，铸型还必须设置浇道，以引导液态金属充填铸型.如图1.3所示，该充型系统包括浇口杯(减少液态金属浇注时的冲击力)?直浇道(引导液态金属流入铸型型腔所在平面)，以及一些横浇道和内浇道(保证金属液流入型腔).该浇注系统设计的主要目的是将液态金属引入型腔内部，同时尽可能避免涡流的产生，以减少表面氧化夹渣和在铸件中形成夹杂.砂型通常是多孔的，有助于金属液填充过程中排气.横浇道处有时需要添加陶瓷过滤器，以便于金属氧化膜?砂粒等杂质在进入铸型前被过滤掉.除了横浇道及内浇道，大多数铸件的生产还需要巧妙地设置冒口，其作用是提供一定量的金属来实现凝固后期的补缩，从而避免在铸件内部形成缩孔缺陷.关于浇注系统更详细的介绍，感兴趣的读者可以参考Heine[5]及Campbell等[1]的著作.金属液充满型腔并通过铸型散热完成凝固后，打碎砂型，铸件即可取出. 
　　热量由金属向低温铸型散失的过程会影响凝固行为.尽管第5章和第6章将对热传输问题进行详细分析，这里有必要进行一些简单而又宽泛的讨论.铸造过程中释放的热量包括两部分:显热(可通过比热cp 来衡量)与潜热Lf.对于大多数材料，潜热的作用要大于显热.潜热通过已凝固区域传出，穿过固相-铸型界面，并传入铸型中.第5章将论述在砂型铸造中，总传热取决于铸型中的热传导.同时对于纯金属铸件，凝固层厚度x? 随时间t 的变化近似可表示为 
　　式中，Tf 为金属熔点;T0 为铸型初始温度;ρS 为固态金属密度;km 为铸型热传导系数;ρm 为铸型材料密度;cpm为铸型比热.当热传输受铸型控制时，该公式中的x? 可用已凝固体积V 与其表面积A 的比值来代替.反推公式(1.1)，可得实际凝固时间tf 的表达式，该公式称为Chvorinov原理， 
　　即 
　　Chvorinov原理通常在铸造生产中用来估算铸件的凝固时间.该原理还可扩展用来评估不同截面尺寸铸件的凝固模式，进而预测整个铸件的凝固过程.铸造工程师由此可以合理设计冒口位置，以确保易形成缩孔的最后凝固区位于零件外部.大多数情况下，这种简易计算方法可以保证铸件的成品率.然而，对于太复杂的铸件或者精度要求较高时，这种近似显得不太适用，因此利用计算机对充型和热传输过程进行数值模拟就变得尤为重要，相关方法将在第6章详细介绍.在结束本话题之前，提一个砂型铸造的特种变体，即消失模铸造.在这个过程中，模样采用聚苯乙烯泡沫制成，并在浇铸过程中保留在铸型中.外来金属液的热量将聚苯乙烯蒸发，蒸气通过铸型逸出.该方法有几个优点:由于模样无需从铸型中取出，所以在形状设计上可以更加灵活.同时，由于铸型中不必移除模样，不会出现黏砂，从而降低了回收型砂再利用的成本. 
　　2. 熔模铸造 
　　……

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