目錄
前言
主要符號(hào)表
緒論 1
參考文獻(xiàn) 3
第1章 液體結(jié)構(gòu)與物理性質(zhì) 5
1.1 液體結(jié)構(gòu)的研究方法 5
1.1.1 X射線(xiàn)衍射圖 5
1.1.2 徑向分布函數(shù) 6
1.2 液體的結(jié)構(gòu) 8
1.2.1 晶體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述 8
1.2.2 熔化引起的結(jié)構(gòu)變化 10
1.2.3 短程序概念 10
1.2.4 溫度的影響 11
1.2.5 液體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 12
1.2.6 液體結(jié)構(gòu)的不均勻性 14
1.3 熔化產(chǎn)生的物理參數(shù)變化 14
1.3.1 潛熱 14
1.3.2 體積變化 15
1.3.3 導(dǎo)電、導(dǎo)熱與擴(kuò)散性能 15
1.4 界面現(xiàn)象 15
1.4.1 界面能 16
1.4.2 Laplace方程 17
1.4.3 溶質(zhì)元素的影響 19
1.4.4 多相界面張力平衡 19
1.5 黏度 21
1.5.1 溫度對(duì)黏度的影響 22
1.5.2 溶質(zhì)對(duì)黏度的影響 23
1.6 液體結(jié)構(gòu)模型和理論 24
1.6.1 液體結(jié)構(gòu)理論 24
1.6.2 液體內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬 26
1.6.3 液態(tài)中的電子態(tài) 27
參考文獻(xiàn) 27
第2章 凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ) 29
2.1 相變反應(yīng)自發(fā)性判斷標(biāo)準(zhǔn) 29
2.1.1 過(guò)冷 29
2.1.2 單成分系統(tǒng)ΔG的計(jì)算 31
2.1.3 二元溶液的自由能成分圖 31
2.2 相平衡 33
2.2.1 非均質(zhì)系內(nèi)相平衡的條件 33
2.2.2 亞穩(wěn)相 35
2.2.3 壓力對(duì)相平衡的影響 39
2.2.4 界面對(duì)平衡的影響 40
參考文獻(xiàn) 41
第3章 凝固的結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ) 42
3.1 經(jīng)典形核理論 43
3.1.1 晶核的臨界半徑 43
3.1.2 異質(zhì)基底上結(jié)晶的條件 47
3.1.3 形核率 49
3.2 固液界面結(jié)構(gòu) 50
3.2.1 固液界面的實(shí)驗(yàn)觀察 50
3.2.2 固液界面結(jié)構(gòu)模型和理論 51
3.3 晶體生長(zhǎng) 55
3.3.1 動(dòng)力學(xué)過(guò)冷 55
3.3.2 生長(zhǎng)機(jī)制 56
3.3.3 凝固形成的晶體缺陷 61
3.3.4 晶界 65
3.3.5 動(dòng)力學(xué)：生長(zhǎng)速率 70
3.4 凝固過(guò)程溶質(zhì)的分配 72
3.4.1 分布系數(shù) 72
3.4.2 平衡與非平衡凝固 73
3.4.3 固液界面平衡假設(shè) 75
3.4.4 凝固時(shí)溶質(zhì)的分布規(guī)律 75
3.4.5 無(wú)溶質(zhì)擴(kuò)散的凝固過(guò)程 81
3.5 凝固前沿固液界面的穩(wěn)定性 83
3.5.1 成分過(guò)冷 83
3.5.2 固液界面的穩(wěn)定性 85
3.6 多相合金的結(jié)晶 90
3.6.1 共晶合金的結(jié)晶 90
3.6.2 包晶結(jié)晶 97
3.6.3 偏晶結(jié)晶 99
參考文獻(xiàn) 104
第4章 凝固過(guò)程的傳熱問(wèn)題 108
4.1 凝固區(qū)域 108
4.1.1 確定凝固區(qū)域位置的實(shí)驗(yàn)方法 108
4.1.2 鑄件的凝固方式 109
4.2 鑄件鑄型界面 111
4.3 基于熱傳導(dǎo)確定溫度場(chǎng)的方法 114
4.3.1 熱傳導(dǎo)的偏微分方程 115
4.3.2 數(shù)學(xué)分析方法求解 115
4.3.3 數(shù)值計(jì)算法求解 118
4.4 Chvorinov法則 124
參考文獻(xiàn) 126
第5章 凝固過(guò)程液相的流動(dòng)現(xiàn)象 128
5.1 熔體中的顆粒、氣泡和液滴 128
5.1.1 單個(gè)顆粒在液相中的運(yùn)動(dòng) 128
5.1.2 氣泡和液滴在液相中的運(yùn)動(dòng) 131
5.2 凝固過(guò)程液相流動(dòng)現(xiàn)象 131
5.2.1 驅(qū)動(dòng)力 132
5.2.2 凝固過(guò)程液相對(duì)流現(xiàn)象 132
5.3 用數(shù)學(xué)描述凝固過(guò)程流體流動(dòng)的方法 144
5.3.1 糊狀區(qū)的處理 145
5.3.2 守恒方程 147
5.3.3 數(shù)學(xué)模型的建立 147
5.4 充型過(guò)程流動(dòng) 158
5.4.1 充型過(guò)程的流動(dòng)現(xiàn)象 158
5.4.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 159
5.4.3 熔體的流動(dòng)性及其測(cè)定方法 164
5.4.4 熔體成分對(duì)充型能力的影響 165
5.4.5 鑄型條件對(duì)充型能力的影響 168
5.5 半固態(tài)熔體的流變行為 170
5.5.1 半固態(tài)金屬漿料的制備 172
5.5.2 半固態(tài)漿料成型技術(shù) 173
參考文獻(xiàn) 174
第6章 凝固組織及其控制 178
6.1 晶粒組織 178
6.2 鑄態(tài)宏觀組織 182
6.2.1 表面激冷層 182
6.2.2 柱狀晶 183
6.2.3 等軸晶 184
6.2.4 混合組織 184
6.2.5 亞結(jié)構(gòu) 188
6.3 影響晶粒組織的因素 189
6.3.1 成分 189
6.3.2 熱流 190
6.3.3 熔體狀況 193
6.3.4 流動(dòng) 193
6.4 非晶態(tài)固體、準(zhǔn)晶、納米晶、微晶 195
6.4.1 非晶態(tài)相 195
6.4.2 準(zhǔn)晶 200
6.4.3 微晶、納米晶 202
6.5 凝固組織控制 203
6.5.1 柱狀晶與等軸晶的選擇 203
6.5.2 熔體處理：孕育（變質(zhì)）劑 204
6.5.3 擾動(dòng)：振動(dòng)與電磁攪拌 207
6.5.4 單向柱狀晶與單晶鑄件：?jiǎn)蜗蚰��?210
6.5.5 從熔體生長(zhǎng)晶體 215
6.5.6 快速凝固 218
6.6 熔化焊接金屬的凝固 226
6.6.1 熔化焊接金屬的凝固條件 226
6.6.2 熔化焊接金屬的組織與控制 227
參考文獻(xiàn) 230
第7章 伴隨凝固與冷卻過(guò)程產(chǎn)生的現(xiàn)象 235
7.1 由液態(tài)至常溫的體積變化 235
7.1.1 收縮的一般規(guī)律 235
7.1.2 收縮系數(shù)與收縮率 236
7.1.3 鑄造收縮率 236
7.2 縮孔與縮松 241
7.2.1 縮孔 241
7.2.2 縮松 246
7.2.3 凝固過(guò)程膨脹的影響 249
7.3 在固相線(xiàn)附近溫度區(qū)間形成裂紋 251
7.3.1 裂紋特征 252
7.3.2 熱裂形成溫度 252
7.3.3 形成熱裂的原因 254
7.3.4 合金的熱裂敏感性 256
7.4 冷卻過(guò)程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力 258
7.4.1 熱應(yīng)力 259
7.4.2 消除殘留應(yīng)力的方法 261
7.4.3 冷裂 262
7.5 凝固過(guò)程中的氣體問(wèn)題 264
參考文獻(xiàn) 269
第8章 陶瓷材料中的凝固問(wèn)題 271
8.1 陶瓷材料凝固的特點(diǎn) 271
8.2 陶瓷材料熔鑄 271
8.2.1 玻璃 271
8.2.2 結(jié)晶陶瓷 272
8.2.3 從熔體直接獲得結(jié)晶陶瓷 273
8.3 固相窄縫中液相的凝固問(wèn)題 280
8.3.1 液相燒結(jié)過(guò)程液相的形成與特點(diǎn) 281
8.3.2 液相在固相間隙中的流動(dòng)與分配 282
8.3.3 液相與固相的相互作用 284
8.3.4 液相的凝固 289
參考文獻(xiàn) 290
索引 292
案例目錄
案例1.1 一些液態(tài)金屬的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度曲線(xiàn) 5
案例1.2 鉍的徑向分布函數(shù) 7
案例1.3 金的徑向分布函數(shù) 7
案例1.4 鈮酸鋰的晶體結(jié)構(gòu) 9
案例1.5 一些金屬的配位數(shù) 11
案例1.6 溫度對(duì)Ar徑向分布函數(shù)的影響 12
案例1.7 鈮酸鋰的熔體結(jié)構(gòu) 12
案例1.8 水的結(jié)構(gòu) 13
案例1.9 一些物質(zhì)的汽化潛熱和熔化潛熱對(duì)比 14
案例1.10 液態(tài)金屬的表面張力 17
案例1.11 最大氣泡壓力法測(cè)量表面張力 18
案例1.12 一些溶質(zhì)元素對(duì)Al表面張力的影響 19
案例1.13 常見(jiàn)液態(tài)金屬的黏度 21
案例1.14 Al-Cu合金的黏度 23
案例1.15 Sn-Bi合金的黏度 23
案例1.16 隨機(jī)密集堆積剛球的徑向分布函數(shù) 25
案例1.17 物質(zhì)中分子運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算機(jī)模擬 26
案例2.1 單成分系統(tǒng)的冷卻曲線(xiàn) 30
案例2.2 鑄鐵的冷卻曲線(xiàn) 30
案例2.3 共晶系相圖與自由能成分圖 33
案例2.4 碳的亞穩(wěn)相 35
案例2.5 Fe-C系的亞穩(wěn)相 36
案例2.6 共晶系相圖中共生區(qū)位置的研究 37
案例2.7 拐點(diǎn)的概念 37
案例3.1 結(jié)晶的動(dòng)態(tài)過(guò)程 42
案例3.2 富Fe相晶體作為Cu結(jié)晶基底 45
案例3.3 與基底接觸的新相表面層被變形的實(shí)例 47
案例3.4 Al3Ti作為Al結(jié)晶基底 48
案例3.5 加P為Al-Si合金初生硅提供結(jié)晶基底 48
案例3.6 晶體Si與液相Al-Si合金界面 50
案例3.7 Al的固液界面 51
案例3.8 純Ni固液界面的分子動(dòng)力學(xué)模擬 55
案例3.9 VLS晶體生長(zhǎng)方法 56
案例3.10 Al-Si合金Si晶體生長(zhǎng)的電鏡觀察 58
案例3.11 枝晶生長(zhǎng)的相場(chǎng)模擬 60
案例3.12 提拉法生長(zhǎng)無(wú)位錯(cuò)Si單晶體 63
案例3.13 鑄鐵中石墨的旋轉(zhuǎn)孿晶 64
案例3.14 Al-Si合金初生Si的反射孿晶 65
案例3.15 泡沫模型演示晶界 66
案例3.16 沸騰鋼中殘存FeO的形貌 68
案例3.17 加稀土元素后銅合金的晶周相形貌 69
案例3.18 鋼中鏡片狀?yuàn)A雜物 69
案例3.19 脫氧銅的平衡組織 70
案例3.20 富Al晶體的生長(zhǎng)速率實(shí)驗(yàn)研究 71
案例3.21 兩種類(lèi)型分布系數(shù)舉例 72
案例3.22 Al-（4～5）%Cu二元合金的非平衡凝固 74
案例3.23 區(qū)域熔煉 79
案例3.24 Ag-Cu系的T0線(xiàn) 83
案例3.25 Pb凝固前沿表面的平面組織 86
案例3.26 Al-CuAl2共晶合金凝固前沿表面的平面組織 87
案例3.27 Pb-0.1%Sn的胞狀組織 88
案例3.28 Al-Cu單相合金的胞狀組織 88
案例3.29 Al-Ag2Al共晶合金的胞狀組織 88
案例3.30 Al-Si合金共晶體凝固 91
案例3.31 灰鑄鐵共晶團(tuán)形貌 92
案例3.32 球墨鑄鐵的共晶團(tuán)形貌 93
案例3.33 Ag-Cu合金共晶凝固組織 94
案例3.34 Zn-Mg合金共晶凝固組織 95
案例3.35 LiF-NaF和NaF-NaCl的共晶組織 96
案例3.36 灰鑄鐵中三元P共晶形貌 96
案例3.37 Al-Cu-Mg三元共晶體形貌 96
案例3.38 鋁黃銅ZCuZn24Al5Fe2Mn2的凝固過(guò)程 99
案例3.39 Zn-Cu包晶合金的凝固組織 99
案例3.40 Al-Bi偏晶合金的單向凝固 102
案例3.41 Al-In偏晶合金的單向凝固組織 102
案例3.42 Al-Pb偏晶合金的微觀結(jié)構(gòu) 103
案例4.1 用自射線(xiàn)照相顯示鑄錠的凝固邊界 109
案例4.2 錫青銅Cu88Sn10Zn2的凝固動(dòng)態(tài)曲線(xiàn) 110
案例4.3 砂型鑄件的界面 111
案例4.4 金屬型鑄件的界面 112
案例4.5 連鑄坯結(jié)晶器的界面 113
案例4.6 一維導(dǎo)熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)分析解 115
案例4.7 連續(xù)鑄鋼機(jī)的凝固常數(shù) 117
案例4.8 大型船用螺旋槳鑄件溫度場(chǎng)的測(cè)定 119
案例4.9 圓坯連續(xù)鑄鋼結(jié)晶器內(nèi)熱與力學(xué)行為的研究 119
案例5.1 鋼液內(nèi)夾雜物上浮速率計(jì)算 130
案例5.2 垂直單向凝固過(guò)程糊狀區(qū)局部對(duì)流形成機(jī)制的研究 133
案例5.3 垂直單向凝固鑄件的斑點(diǎn)缺陷 134
案例5.4 鋼錠凝固過(guò)程液相對(duì)流模式測(cè)定 136
案例5.5 三維散熱凝固過(guò)程糊狀區(qū)局部對(duì)流的實(shí)驗(yàn)觀察 137
案例5.6 三維散熱鑄錠的A型偏析 137
案例5.7 逆偏析舉例 139
案例5.8 大型鋁黃銅螺旋槳中鐵偏析的研究 140
案例5.9 In-Sb合金在超重力條件下凝固 142
案例5.10 Zn-Bi合金在微重力條件下凝固 142
案例5.11 滲透率經(jīng)驗(yàn)值的選取 146
案例5.12 計(jì)算枝晶間流動(dòng)速率 148
案例5.13 應(yīng)用連續(xù)模型預(yù)測(cè)二元合金單向凝固 150
案例5.14 應(yīng)用連續(xù)模型預(yù)測(cè)二元合金凝固 152
案例5.15 應(yīng)用體積平均模型預(yù)測(cè)二元合金單向凝固 154
案例5.16 封閉式澆注系統(tǒng)的計(jì)算 160
案例5.17 鑄鐵熔體流動(dòng)速率和阻力系數(shù)的測(cè)定 162
案例5.18 使用水模擬方法優(yōu)化集渣包尺寸 164
案例5.19 Pb-Sb系的鑄造流動(dòng)性 166
案例5.20 Al-Si系的流動(dòng)性 167
案例5.21 液態(tài)金屬停止流動(dòng)機(jī)理的研究 167
案例5.22 澆注溫度對(duì)鑄鐵充型能力的影響 168
案例5.23 充填狹窄型腔臨界壓頭計(jì)算 170
案例5.24 半固態(tài)Al-4.5%Cu-1.5%Mg合金的流動(dòng)性 171
案例5.25 半固態(tài)觸變成型角框件 173
案例6.1 鐵碳系平衡凝固時(shí)晶粒的形成 179
案例6.2 大型鋼錠的鑄態(tài)組織與宏觀偏析 185
案例6.3 連續(xù)鑄鋼方坯晶粒組織與凝固速率的關(guān)系 191
案例6.4 ZG4Cr25Ni40（HK-40）鋼離心鑄管鑄態(tài)宏觀組織 194
案例6.5 微重力對(duì)二次枝晶臂間距的影響 194
案例6.6 非晶態(tài)Pd-20%（原子分?jǐn)?shù)）Si合金電子衍射圖 196
案例6.7 非晶態(tài)Se的徑向分布函數(shù) 197
案例6.8 非晶態(tài)硅的無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型 198
案例6.9 氧化硅玻璃的結(jié)構(gòu) 199
案例6.10 準(zhǔn)晶的發(fā)現(xiàn) 200
案例6.11 深過(guò)冷Al72Ni12Co16合金凝固形成的準(zhǔn)晶 201
案例6.12 Penrose模型 201
案例6.13 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶結(jié)構(gòu)的形成 202
案例6.14 超級(jí)合金燃?xì)廨啓C(jī)整體鑄造徑向?qū)эL(fēng)輪輪轂晶粒細(xì)化 204
案例6.15 孕育鑄鐵 205
案例6.16 Al-Si合金變質(zhì)處理 206
案例6.17 超聲波振動(dòng)Sn-Sb合金組織 207
案例6.18 脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)處理鋁熔體 208
案例6.19 高壓脈沖強(qiáng)電流處理鋁熔體 208
案例6.20 電磁攪拌在連續(xù)鑄鋼中應(yīng)用 210
案例6.21 燃?xì)廨啓C(jī)精密鑄造葉片 211
案例6.22 制備具有特定取向的TbDyFe合金 212
案例6.23 連鑄單晶線(xiàn)材 212
案例6.24 多晶硅單向凝固鑄錠 214
案例6.25 Al-Si共晶合金的單向凝固的研究 214
案例6.26 濺射鋁合金的枝晶臂間距的研究 219
案例6.27 噴射霧化與噴射沉積Al75Mn10Cr5Si10合金的形態(tài)和微觀組織 221
案例6.28 自由噴射熔體甩出法（free-jetmeltspinning）制造金屬薄帶 223
案例6.29 自由噴射單輥法制造微晶薄帶 224
案例6.30 激光重熔參數(shù)舉例 225
案例6.31 懸浮熔煉法舉例 225
案例6.32 不銹鋼熔焊焊縫組織的研究 227
案例6.33 ZG4Cr25Ni40鋼（HK40）高溫爐管的焊縫組織 227
案例6.34 鋼板點(diǎn)焊的凝固組織 228
案例7.1 鑄鋼的收縮 237
案例7.2 鑄鐵的收縮 238
案例7.3 有色金屬的收縮 240
案例7.4 明冒口與補(bǔ)貼應(yīng)用舉例 244
案例7.5 輪形鑄件輪緣的補(bǔ)縮方案 244
案例7.6 大氣壓力冒口 244
案例7.7 使用Chvorinov法則計(jì)算冒口舉例 245
案例7.8 冒口大小對(duì)以糊狀方式凝固的鑄件的影響 247
案例7.9 錫青銅海水閥體鑄造工藝 248
案例7.10 亞共晶灰鑄鐵和球墨鑄鐵的縮孔 249
案例7.11 產(chǎn)生熱裂的溫度范圍的研究 253
案例7.12 在兩壁交接處形成外熱裂舉例 255
案例7.13 由于鑄造工藝設(shè)計(jì)不良引起熱裂舉例 255
案例7.14 雙金屬離心鑄造缸套的裂紋缺陷 255
案例7.15 合金的熱裂敏感性的研究 257
案例7.16 鑄件內(nèi)應(yīng)力例一 260
案例7.17 鑄件內(nèi)應(yīng)力例二 261
案例7.18 亞共振振動(dòng)（sub-resonantvibrations）消除殘留應(yīng)力 262
案例7.19 冷裂紋的穿晶斷裂特征 263
案例7.20 鑄鐵機(jī)床床身冷裂 263
案例7.21 熔模精密鑄造鑄件冷裂 264
案例7.22 凝固過(guò)程氣體析出機(jī)制的模擬研究 265
案例7.23 氫引起的形狀不規(guī)則的氣孔 266
案例7.24 皮下氣孔的形成機(jī)制 266
案例7.25 鋁黃銅鑄錠氣孔分析 267
案例7.26 Gasar方法 268
案例8.1 Li2O-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷材料 272
案例8.2 鑄造玄武巖板材工藝 272
案例8.3 玄武巖單向凝固的實(shí)驗(yàn)研究 273
案例8.4 CaO-MgO-Al2O3-SiO2系離心鑄管的凝固過(guò)程 278
案例8.5 Si3N4-MgO系陶瓷燒結(jié)時(shí)液相的形成與其凝固組織 281
案例8.6 使用熔滲工藝生產(chǎn)Fe-石墨滲Cu制品 282
案例8.7 金屬陶瓷的濕潤(rùn)性問(wèn)題 283
案例8.8 液相存在時(shí)毛細(xì)管力的模型 284
案例8.9 W-Ni系陶瓷燒結(jié)過(guò)程研究 287
案例8.10 ZnO-Bi2O3系陶瓷的非晶態(tài)相 289