Fundamentals of Solidification

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出版者:Trans Tech Pubn
作者:Kurz, W./ Fisher, D. J.
出品人:
页数:305
译者:
出版时间:1998-6-1
价格:0.00 元
装帧:Pap
isbn号码:9780878498048
丛书系列:
图书标签:
  • 物理学
  • 材料
  • 1
  • 凝固
  • 金属材料
  • 相变
  • 材料科学
  • 铸造
  • 热力学
  • 动力学
  • 微观结构
  • 材料工艺
  • 固态物理
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具体描述

This updated edition presents a picture of the majority of solidification phenomena which control the formation of microstructures. Solidification phenomena play an important role in many processes used in a wide range of fields, from production engineering to solid-state physics. Simple models have been developed to attempt to aid understanding of this complex subject. In this text there are a broad range of solidification models to look at, from large tonnage of continously cast products, through superalloy precision casting, to high-purity single crystals. This book is aimed at being useful for students and experienced engineers alike.

《材料凝固的科学基础》 本书深入探讨了材料凝固过程的科学原理,为理解和控制金属、合金、陶瓷、聚合物乃至生物材料的相变提供了坚实的理论框架。本书旨在揭示从液态到固态转变过程中复杂的物理和化学现象,并阐明这些现象如何影响最终材料的微观结构和宏观性能。 核心内容概述: 第一部分:凝固的热力学基础 相图与相变: 本部分将从热力学的基本原理出发,介绍相图的构建与解读,以及固液相变所遵循的能量最小化原则。我们将详细阐述不同材料体系(如二元合金、三元合金)的相图特征,如固溶体、化合物、共晶、共析、包晶等,并分析相变驱动力与相界面的稳定性。 过冷与形核: 深入研究材料凝固中的一个关键现象——过冷。我们将解释过冷产生的机制,包括均质形核和异质形核。对于均质形核,我们将探讨临界形核半径、形核功以及温度对形核率的影响。对于异质形核,我们将分析形核基底的性质(如表面能、晶格匹配度)如何降低形核势垒,从而促进形核。 晶体生长动力学: 一旦发生形核,晶体便开始生长。本部分将详细介绍各种晶体生长机制,如平面生长、非平面生长(包括树枝状生长和胞状生长)。我们将阐述生长速度与温度梯度、溶质浓度梯度以及界面能量等因素之间的关系。本书还将探讨不同生长模式的形成条件及其对最终微观结构的影响。 第二部分:凝固过程中的宏观传输现象 传热学: 凝固过程本质上是一个热量传输过程。本部分将详细介绍热量在凝固界面、液相和固相中的传递方式,包括传导、对流和辐射。我们将分析不同的冷却速率、模具设计以及冷却介质如何影响温度场分布,并最终影响凝固的快慢和均匀性。 溶质扩散与偏析: 在合金凝固过程中,由于液相和固相的溶质溶解度不同,会导致溶质在凝固界面两侧发生偏析。本部分将深入研究溶质扩散的机理,并分析不同扩散系数、固液界面迁移速率以及冷却速率如何影响宏观和微观偏析的形成。我们将讨论等温凝固、定向凝固等模型,并介绍偏析在实际生产中的影响及控制方法。 对流的影响: 在许多凝固过程中,液相的对流会显著影响热量和溶质的传输。本部分将分析自然对流、强制对流以及马兰戈尼对流的产生原因和在凝固过程中的作用。我们将探讨对流如何影响温度均匀性、减少溶质偏析,但有时也可能引起涡流导致额外的偏析。 第三部分:凝固微观结构与性能 晶粒尺寸与形貌控制: 晶粒的尺寸和形貌是决定材料宏观性能的关键因素。本部分将系统介绍影响晶粒尺寸和形貌的各种因素,包括形核密度、生长速率、冷却速率以及添加细化剂等。我们将讨论如何通过优化工艺参数来获得细小、均匀的晶粒,从而提高材料的强度、韧性和疲劳性能。 枝晶生长与演化: 枝晶是合金凝固过程中最常见的微观结构单元。本部分将详细阐述枝晶的形成机制、生长模式(如一次枝晶、二次枝晶)以及枝晶间区域的形成。我们将分析枝晶臂间距(primary dendrite arm spacing, PDAS 和 secondary dendrite arm spacing, SDAS)与凝固速率的关系,以及枝晶网络如何影响材料的力学性能、铸造缺陷(如热裂、缩孔)的形成。 非晶态凝固与快速凝固技术: 除了传统的晶态凝固,本书还将探讨非晶态材料的形成机制。我们将介绍快速凝固技术(如熔体纺丝、气雾冷却)如何通过极高的冷却速率抑制晶体形核,从而获得玻璃态的非晶合金。本书将分析非晶材料独特的原子结构和力学、电磁性能。 多相凝固与微观结构演变: 对于包含多种固相的复杂合金体系,其凝固过程和最终微观结构更为复杂。本部分将分析多相凝固的特点,如不同相的形核顺序、生长机制以及相界面的相互作用。我们将讨论共晶、共析组织的形成,以及后续固态相变对微观结构的影响。 第四部分:凝固过程中的缺陷与模拟 凝固缺陷的形成机制: 许多材料的性能会因凝固过程中产生的缺陷而受到严重影响。本书将深入分析各类凝固缺陷的形成原因,包括气孔(氢气孔、氮气孔)、疏松(缩孔、缩松)、夹渣、裂纹(热裂、冷裂)以及偏析。我们将结合热力学和动力学原理,阐述这些缺陷的产生过程,并提出相应的预防和控制策略。 数值模拟在凝固研究中的应用: 随着计算机技术的发展,数值模拟已成为研究凝固过程的重要工具。本部分将介绍常用的凝固模拟软件和模型,如有限差分法、有限元法在传热、传质以及微观结构演化模拟中的应用。我们将展示如何利用模拟结果来预测凝固过程、优化工艺参数,并指导产品设计。 本书特点: 理论与实践相结合: 本书在阐述凝固理论的同时,注重其在实际工程应用中的指导意义,涵盖了铸造、焊接、半导体制造等领域的典型问题。 深入的物理图像: 通过生动的图示和深入的物理解释,帮助读者建立对复杂凝固现象的直观理解。 全面的覆盖范围: 涵盖了从基础热力学到宏观传输现象,再到微观结构演变和缺陷控制的各个方面。 启发性与前沿性: 鼓励读者将所学知识应用于解决实际材料问题,并对凝固科学的前沿研究方向进行展望。 适用读者: 本书适合材料科学与工程、机械工程、冶金工程、航空航天、汽车制造等领域的本科生、研究生以及相关行业的工程师和科研人员。阅读本书将有助于读者深刻理解材料凝固的内在规律,为开发高性能、高可靠性的新材料和优化制造工艺提供坚实的基础。

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读后感

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用户评价

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如果说市面上有很多关于金属学或材料科学的入门读物,那么这本书绝对是属于“专业殿堂”级别的藏品。它的覆盖范围远超一般意义上的“凝固原理”,它深入探讨了液态金属的结构、粘滞性如何影响溶质传输,甚至探讨了磁场或压力梯度在引导晶体生长中的潜在作用,这些都是我在其他标准课程中从未系统接触过的进阶主题。作者的写作风格非常内敛而有力,几乎没有使用任何花哨的语言或夸张的修辞,全书充斥着严谨的数学表述和实验观察的精确对照。对于已经有一定基础的研究生而言,这本书更像是为他们架设了一条通往前沿研究的桥梁,它指出了当前理论模型的局限性,并暗示了未来研究的方向——比如如何更有效地模拟复杂流场中的溶质对流对宏观偏析的影响。读完它,你会对“晶体生长”这个概念产生全新的、更为复杂的理解。

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我购入这本书的初衷是想快速了解一下铸造缺陷的成因,结果却发现自己被卷入了一场关于“有序与无序”的哲学辩论中。这本书的魅力在于,它不仅仅停留在“如何防止孔隙”或“如何细化晶粒”这种工程应用层面,而是透过凝固这一过程,探讨了系统如何从高能、无序的液态转变为低能、有序的固态,以及在这个转化过程中,由于局部不平衡而必然产生的各种“瑕疵”和“缺陷”。特别是关于枝晶生长理论的章节,它不仅描述了枝晶的几何形状,更深入探讨了表面能驱动的尖端不稳定性如何导致复杂的多级分支结构。这种将物理定律与实际材料行为紧密耦合的写作方式,让这本书具有了超越时间限制的价值。它要求读者投入极大的认知努力,但回报也是巨大的——你将获得一套看待材料加工过程的、近乎底层逻辑的视角。它是一部值得反复研读、常读常新的经典著作。

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这本书在处理热力学与动力学的交叉领域时,展现出一种令人拍案叫绝的平衡感。大部分教材要么过度侧重于平衡态的热力学计算,使得对实际凝固过程的描述显得苍白无力;要么就是陷于动力学的复杂模型泥潭,忘记了所有过程的驱动力终究源于能量差。然而,这本书巧妙地将非平衡态凝固理论——特别是涉及到界面迁移速度和溶质扩散受限的章节——与相图和热力学驱动力的宏大背景联系起来。我特别喜欢它对“过冷度”概念的重新界定,不再仅仅视为一个简单的温度差,而是深入剖析了形核势垒和界面能对实际形核率的指数级影响。对于那些试图设计新型快速成形工艺(如增材制造中的快速凝固)的研究者来说,书中关于液固界面响应速度的分析,是理解微观组织形成的金钥匙。这本书的叙事节奏虽然缓慢,但每一步都走得无比扎实,没有一句废话,都是对凝固物理学的深度挖掘。

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坦率地说,初次翻开这本《材料凝固基础》(暂且这么称呼它吧),我差点就想把它束之高阁。它的深度和广度,对于一个刚接触凝固科学的本科生来说,无疑是一场“信息过载”。书中的数学推导极其繁复,很多地方的微分方程组需要反复演算才能理清脉络,作者似乎并不太在意读者的“阅读舒适度”,而是执着于将物理过程的每一个细节都摊开来展示。然而,正是这份近乎偏执的严谨性,使得它成为了我书架上不可替代的参考资料。每当我遇到一个在实际铸造中无法解释的现象——比如为什么某些合金会出现反常的偏析分布,或者如何精确控制焊缝的晶粒细化——我总能从书中找到那个隐藏在复杂公式背后的物理机制的明确指引。它不是那种“拿来即用”的工具书,更像是一部需要耐心“修炼”的武功秘籍,只有通过反复研习那些看似晦涩的章节,才能真正领悟材料塑性的来源和失效的根源。这本书的价值,体现在它能让你从“知其然”跃升到“知其所以然”。

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这部厚重的著作,与其说是一本教材,不如说是一部深入探索材料科学核心奥秘的百科全书。我花了数周时间才勉强跟上作者的思维步伐,尤其是关于相变动力学和晶体缺陷控制的那几个章节,简直是把我多年来在工程实践中积累的模糊概念彻底打碎,然后用更严谨的物理图像重新构建了一遍。它不像市面上那些只停留在公式推导和简化模型的书籍,而是真正从微观尺度的原子排列失序,追溯到宏观尺度的铸件性能不均,这种跨尺度的叙事能力令人叹服。特别是对凝固界面能与形核自由能的精妙平衡的论述,简直是教科书级别的典范。如果你的目标仅仅是应付一个期末考试,这本书可能会让你感到压抑和不知所措,因为它需要的不仅仅是记忆,更是一种对物质世界基本规律的深刻洞察和敬畏。我尤其欣赏它对不同合金体系(从简单的纯金属到复杂的多元合金)在不同冷却速率下行为差异的细致对比,这为我后续进行高性能铝合金研发提供了坚实的理论基石。这本书读下来,感觉自己像是参与了一场漫长而艰辛的学术探险,沿途收获的知识财富是无可估量的。

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