普通高等教育“十一五”国家级规划教材：非平衡凝固理论与技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王自东 著

图书标签:

• 凝固理论
• 非平衡凝固
• 材料科学
• 冶金工程
• 铸造
• 相变
• 热力学
• 扩散
• 金属材料
• 高等教育教材

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111332572

版次：1

商品编码：10668085

品牌：机工出版

包装：平装

开本：16开

出版时间：2011-05-01

页数：211

正文语种：中文

内容简介

《非平衡凝固理论与技术》主要包括非平衡凝固过程的基本理论，如非平衡凝固过程与凝固组织、过冷熔体凝固的基本理论、定向凝固的基本理论以及过冷熔体中自由枝晶生长理论；快速凝固理论与技术；非晶形成的物理基础；非平衡凝固组织的模拟及相场理论；非平衡凝固技术与新型材料，如连续铸造技术、定向凝固技术、半固态铸造技术、准晶材料、微晶材料、金属纳米材料制备技术等。《非平衡凝固理论与技术》可作为高等院校材料科学等专业本科生和研究生的教材，也可供从事金属凝固方面研究的科研人员参考。

内页插图

目录

前言
第1章 非平衡凝固过程与凝固组织
1.1 非平衡凝固过程
1.1.1 凝固的基本概念
1.1.2 平衡态和非平衡态
1.2 非平衡凝固组织形成条件
1.3 典型的非平衡凝固组织
1.3.1 连续铸锭组织
1.3.2 定向凝固组织
1.3.3 对流对凝固组织的影响
思考题

第2章 过冷熔体凝固的基本理论
2.1 凝固过程中数学物理模型的建立
2.1.1 在相体积内的控制方程
2.1.2 界面条件
2.2 在过冷熔体中的晶核成长
2.2.1 问题的渐近解
2.2.2 关于时间的内解
2.3 过冷熔体中球晶生长的界面稳定性
2.3.1 基态解
2.3.2 球晶界面的形态稳定性
2.4 对流对于过冷熔体球晶生长的影响
思考题

第3章 定向凝固的基本理论
3.1 一维凝固过程的相似性解
3.1.1 物理模型的建立
3.1.2 模型的相似性解
3.2 一维凝固过程的非相似性解
3.2.1 时间意义上的内解
3.2.2 时间意义上的外解
3.3 平界面稳定性理论：M-s理论
3.3.1 纯熔体凝固的稳定性分析
3.3.2 二元合金定向凝固的稳定性分析
3.4 非稳态情形下平界面的稳定性分析
思考题

第4章 过冷熔体中自由枝晶生长理论
4.1 枝晶生长的Ivantsov解
4.1.1 物理模型
4.1.2 模型求解
4.1.3 枝晶尖端半径与生长速度的不确定性
4.2 临界稳定性理论
4.2.1 物理模型及二维界面运动方程
4.2.2 稳定性分析及稳定性标准
4.3 微观可解性理论
4.3.1 物理模型
4.3.2 模型求解与分析
4.4 界面波理论
4.4.1 枝晶生长的基态解和扰动态
4.4.2 扰动态解在外部区域的渐近展开式
4.4.3 零级近似解
4.4.4 一级近似解
4.4.5 外解中的奇点εc的特性与stokes现象
4.4.6 解在奇点ε=εc附近内部区域的渐近展开式
思考题

第5章 快速凝固理论与技术
5.1 快速凝固热力学
5.1.1 凝固热力学模式
5.1.2 亚稳平衡相图
5.1.3 T0线
5.1.4 非平衡溶质分配系数
5.2 快速凝固动力学
5.2.1 形核动力学
5.2.2 相选择动力学
5.2.3 界面稳定性
5.2.4 快速生长时的带状组织
5.3 快速凝固技术
5.3.1 快速凝固技术的原理及分类
5.3.2 急冷凝固技术
5.3.3 大过冷凝固技术
思考题

第6章 非晶形成的物理基础
6.1 非晶形成的热力学基础
6.2 非晶形成的动力学基础
6.3 非晶的形成能力
6.4 非晶的晶化动力学
6.5 非晶金属材料制备技术及其应用
6.5.1 非晶金属材料的制备技术
6.5.2 非晶态合金的性能
6.5.3 非晶金属材料在工程中的应用
思考题

第7章 非平衡凝固组织的模拟及相场理论
7.1 非平衡凝固组织模拟的数学物理模型
7.1.1 凝固过程中的过冷现象
7.1.2 形核模型
7.1.3 生长模型
7.2 非平衡凝固组织模拟的方法
7.2.1 确定性模拟方法（Deterministic Modeling）
7.2.2 MonteCarlo方法
7.2.3 CellularAutomata方法
7.3 相场理论简介
7.3.1 相场变量
7.3.2 纯物质的相场方程
7.3.3 合金的三维相场模型
7.4 相场理论在组织模拟中的应用
7.4.1 溶质陷落
7.4.2 枝晶生长
7.4.3 等轴枝晶结构的形成与枝晶侧臂的搭桥
7.4.4 柱状晶的竞争生长与枝晶破断
7.4.5 共晶集群结构的形成
7.4.6 微观组织的粗化
思考题

第8章 非平衡凝固技术与新型材料
8.1 连续铸造技术
8.1.1 连续铸造技术概述
8.1.2 连续铸钢
8.1.3 薄板坯连铸技术
8.1.4 0CC技术
8.2 定向凝固技术
8.2.1 发热剂法（EP法）
8.2.2 功率降低法（PD法）
8.2.3 高速凝固法（HRS法）
8.2.4 液态金属冷却法（LMC法）
8.2.5 区域熔化液态金属冷却法（ZMLMC法）
8.2.6 深过冷定向凝固（DUDS）
8.2.7 电磁约束成形定向凝固技术DSEMS）
8.2.8 激光超高温度梯度快速定向凝固
8.2.9 单晶制备技术
8.3 半固态铸造技术
8.3.1 半固态铸造的工艺原理和适用范围
8.3.2 半固态铸造的特点
8.3.3 半固态合金组织
8.3.4 半固态合金的流变性能
8.3.5 半固态合金浆料的制备
8.3.6 半固态铸造方法
8.3.7 半固态加工技术的应用
8.4 准晶材料
8.4.1 准晶概述
8.4.2 准晶材料制备技术
8.4.3 准晶材料的性能
8.4.4 准晶材料的应用
8.5 微晶材料
8.5.1 微晶合金的制备技术
8.5.2 微晶合金的特点
8.6 金属纳米材料制备技术
8.6.1 高压淬火法
8.6.2 深过冷熔体结晶法
8.6.3 非晶晶化法制备金属纳米结构材料
8.6.4 纳米材料的特性
8.6.5 金属纳米材料的应用
思考题
参考文献

前言/序言

好的，这是一份关于《非平衡凝固理论与技术》（普通高等教育“十一五”国家级规划教材）的详细介绍，内容将侧重于该领域的核心概念、技术应用及其在现代材料科学中的重要地位，同时避免提及您指定的书名本身。 --- 凝固过程的微观动力学与宏观控制：现代材料科学的基石 凝固，是物质从液态向固态转变的物理过程，是材料科学与工程领域最基础也是最关键的单元操作之一。 它不仅决定了最终材料的宏观性能，如强度、韧性、导电性或光学特性，更深刻地内嵌于从微观晶体学到大规模工业生产的全链条之中。在追求更高性能、更复杂结构和更精细控制的今天，对凝固过程的深入理解与精准调控已成为推动先进制造业发展的核心驱动力。 本领域的探讨核心在于处理非平衡态下的物理化学现象。当冷却速率、温度梯度、合金成分或外部场强（如磁场、电场）偏离理想的平衡条件时，材料的组织结构将呈现出复杂的非周期性或非均匀性，这正是“非平衡凝固”所涵盖的范畴。 一、 凝固过程的驱动力与界面演化 凝固的本质是能量的重新分配和物质的重新排列。在非平衡条件下，这一过程的驱动力（过冷度）和界面动力学变得尤为重要。 1. 热力学与过冷现象： 晶体形成的首要条件是液相温度低于平衡下的熔点，即存在热力学过冷。然而，在实际快速凝固中，仅有热力学驱动不足以解释形核的发生。必须考虑形核过冷——克服形核势垒所需的额外能量。对异质形核（如杂质颗粒表面）和均质形核的机制进行精确量化，是控制材料初始微观结构的关键。过冷度的剧烈变化直接影响到固液界面的生长速率和形态。 2. 界面动力学与生长形态： 固液界面的形态决定了最终晶粒的结构。在低速或平衡条件下，界面倾向于平坦或凸出液相；而在快速凝固或高过冷度下，界面会变得不稳定，发展出枝晶（Dendrite）、胞状（Cell）或网状结构。 枝晶生长： 这是研究的重点。枝晶的生长速率、主干直径、二次/三次分支的密度和间距，均是合金宏观性能的直接体现。其生长受限于扩散控制（成分过冷）和传热控制。对枝晶间液相成分的富集分析（局部成分过冷）是预测宏观偏析程度的基础。 界面能与表面张力： 固液界面处的能量（界面能）是决定界面稳定性的关键参数。在微纳米尺度下，界面能的各向异性（取决于晶体取向）将主导界面偏折和生长方向的选择。 二、 宏观偏析与组织控制 非平衡凝固往往伴随着成分偏析（Segregation），即不同元素在固相和液相中的分配系数（$k$）因生长速度的改变而偏离平衡态的预测值，导致铸件内部出现化学成分的梯度。 1. 偏析的数学描述： 从基础的反偏析（Microsegregation）到宏观的宏观偏析（Macrosegregation），都需要基于溶质的对流、扩散和界面捕获机制进行建模。例如，在高速度凝固的定向凝固中，富集在液相的溶质会随界面推进而被带到铸件末端，形成宏观的成分梯度。 2. 组织细化与晶粒控制： 现代材料追求更细小、更均匀的晶粒结构。通过以下方式可以实现对晶粒尺寸的调控： 增加形核密度： 利用形核剂或快速冷却来增加有效形核的频率。 抑制粗大枝晶的形成： 通过提高冷却速率或引入外部场强（如超声波振动、旋转磁场），强制性地打断粗大枝晶的生长，促进液相的充分搅拌，从而提高均匀性并细化初晶结构。 三、 非平衡凝固过程的现代技术手段 对非平衡态的精确控制催生了一系列先进的凝固技术，它们旨在突破传统铸造工艺的局限。 1. 快速凝固技术（RS）： 当冷却速率达到 $10^4 ext{K/s}$ 甚至更高时，材料可以被“冻结”在远非平衡的状态。这使得稳定亚稳相、形成非晶态结构（金属玻璃）或获得极细的亚微米组织成为可能。喷射、雾化、快速旋转等方法是实现高冷却速率的关键。 2. 选区凝固与定向凝固（DS）： 在涡轮叶片等高性能部件制造中，要求材料具有极高的蠕变抗性和抗疲劳性。通过精确控制热场，实现单晶（无晶界）或定向凝固（晶界沿应力方向排列），是消除晶界不利影响的有效途径。这需要对传热模型和界面稳定性进行高精度计算。 3. 外部场辅助凝固： 引入外部能量场可以对界面运动施加额外的作用力，从而重塑凝固组织。 电磁搅拌（EMS）： 利用洛伦兹力驱动液相流动，有效消除宏观偏析，细化晶粒，并抑制浮渣夹杂。 超声波处理（US）： 产生的空化效应和微观振荡可以破碎初生的枝晶，增加形核点，并改善晶粒间的均匀性。 四、 模拟与计算方法的发展 由于凝固过程涉及相变、传热、溶质扩散、流体流动（对流）以及固液界面的复杂耦合，计算模拟已成为理解和优化工艺不可或缺的工具。 现代研究越来越依赖于多尺度、多物理场的耦合模型： 元胞自动机（CA）/相场法（Phase-Field）： 这些方法特别擅长描述固液界面的演化、枝晶的成核与生长，以及复杂微观结构的形成。相场法尤其在处理界面能和界面动力学方面具有强大的理论优势。 计算流体力学（CFD）： 用于模拟铸型内的温度场、速度场和溶质浓度场，特别是湍流对凝固前沿的物质输运影响。 通过这些先进的理论框架和计算工具，科研人员能够预测在特定冷却速度和成分配比下，材料的最终微观结构，进而指导新合金的设计和先进制造工艺的开发。掌握非平衡凝固的原理，即是掌握了从基础熔炼到高性能零部件制造的整个技术链条的控制权。

评分☆☆☆☆☆

这本《非平衡凝固理论与技术》实在是一本让人惊喜的教材！虽然书名听起来有些“硬核”，但实际翻阅下来，作者的讲解方式非常接地气，循序渐进，即使是初次接触非平衡凝固的读者，也能很快抓住核心概念。我特别喜欢其中关于“过冷度”的阐述，它不仅仅是理论上的一个参数，通过丰富的图示和生动的案例，将其在实际生产中的影响描绘得淋漓尽致。比如，书中详细分析了不同过冷度下，合金凝固过程中晶粒形态、尺寸以及成分偏析的变化，这对于理解材料性能的差异至关重要。而且，我发现这本书的理论深度足够，但又不会过于晦涩，很多地方都引用了最新的研究成果，并对其进行了通俗易懂的解读。它并没有停留在理论层面，而是紧密结合了工业生产中的实际应用，提供了大量关于非平衡凝固技术，例如快速凝固、定向凝固等的操作要点和注意事项。我个人在实际工作中遇到的一些凝固难题，在这本书里都能找到相关的原理和解决方案的影子，这大大提升了我解决实际问题的信心。总的来说，这本书兼具了学术的严谨性和实践的指导性，是一本不可多得的优质教材，对于我这样的工程师来说，简直是如获至宝，让我对非平衡凝固有了更深层次的理解和更开阔的视野。

评分☆☆☆☆☆

这本《非平衡凝固理论与技术》无疑是一部“思想的启迪者”。它所展现的知识体系，让我对材料科学领域有了全新的认识。书中关于“固液界面动力学”的讨论，我至今记忆犹新。作者用非常严谨的科学语言，结合前沿的计算模拟方法，揭示了固液界面在非平衡凝固过程中的复杂行为。我尤其欣赏书中对“梯度凝固”和“定向凝固”技术的详尽阐述。作者不仅介绍了这些技术的原理和优点，更重要的是，他深入分析了这些技术在实际应用中可能遇到的挑战，以及如何通过优化工艺参数来克服这些挑战。这对于我从事相关研究和开发工作来说，具有极其宝贵的借鉴意义。而且，这本书并没有将目光仅仅局限于理论和技术层面，而是触及到了材料性能与凝固过程之间深刻的联系。作者通过大量的实例，说明了非平衡凝固如何影响材料的力学性能、电学性能、磁学性能等，并探讨了如何通过调控凝固过程来获得特定性能的材料。这让我深刻体会到，非平衡凝固不仅是一门科学，更是一门艺术，是一门能够创造出高性能材料的“魔术”。这本书，让我看到了非平衡凝固在推动材料科学发展和产业进步中的巨大潜力。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，在阅读《非平衡凝固理论与技术》之前，我对非平衡凝固的理解仅停留在比较浅显的层面。但是，这本书的出现，彻底改变了我的认知。它最让我感到惊艳的是，作者能够将那些原本复杂抽象的理论，通过形象的比喻和精妙的图示，变得生动而易于理解。比如，书中在讲解“相变动力学”时，用了“赛跑”的比喻来形容不同相变途径的竞争，一下子就让我抓住了关键点。而且，作者并没有回避那些“难啃”的部分，而是将其分解成一个个小模块，逐一攻破。我尤其欣赏书中对“凝固缺陷”的阐述，例如位错、晶界、孔隙等，作者详细分析了这些缺陷的形成机理，以及它们对材料性能产生的负面影响，并且还提供了相应的控制和消除策略。这对于我们进行材料设计和工艺优化来说，具有极其重要的指导意义。这本书的知识体系非常完整，从基础的热力学原理，到复杂的动力学过程，再到具体的工程应用，逻辑链条清晰，前后呼应。阅读过程中，我感觉自己就像在一位经验丰富的导师的引导下，一步步深入探索非平衡凝固的奥秘，受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

我必须说，这本《非平衡凝固理论与技术》给我的整体感受是“深度与广度的完美结合”。它不仅仅是简单罗列公式和理论，而是深入剖析了非平衡凝固现象背后的微观机制。书中关于“形核”和“长大”过程的讨论，我印象尤为深刻。作者通过详实的理论推导，结合大量的实验数据和显微组织照片，清晰地展示了不同条件下，晶核如何产生，以及晶体如何沿着特定的方向生长。尤其是在讨论“界面能”和“扩散”对晶体生长速率的影响时，作者的论证逻辑严谨，推导过程清晰易懂，让我能够真正理解这些基本概念是如何影响宏观凝固过程的。此外，这本书并没有局限于单一的材料体系，而是广泛涵盖了金属合金、陶瓷、甚至半导体等多种材料的非平衡凝固特性，这极大地拓宽了我的知识面。书中对不同材料体系的凝固机理差异进行了对比分析，这让我能够更全面地认识非平衡凝固的普适性和特殊性。从理论的深度上，它为我提供了坚实的学术基础；从内容的广度上，它为我打开了全新的研究视角。这使得我在理解和解决不同材料的凝固问题时，都能游刃有余，找到更优化的解决方案。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，《非平衡凝固理论与技术》是一本充满“智慧”的书。它不仅仅是知识的堆砌，更重要的是，它教会了我如何“思考”非平衡凝固的问题。书中在探讨“热量传递”和“质量传递”在凝固过程中的相互作用时，作者展现了极其深厚的功力。他不仅仅是给出公式，更是引导读者去理解这些传递过程是如何相互影响、相互制约的，以及它们如何最终决定了凝固的最终组织和性能。我特别喜欢书中对“微观结构演化”的分析，作者通过大量的模拟和实验结果，清晰地展示了不同参数下，微观晶粒是如何从无到有，再到长大、相互影响，直至形成最终的宏观组织。这种深入到微观层面的分析，让我能够真正理解“知其然，更知其所以然”。而且，这本书还非常注重培养读者的“问题解决能力”。在每个章节的最后，都设置了相关的思考题和习题，这些题目并非简单的记忆性题目，而是需要读者运用书中知识进行分析和推理，这极大地锻炼了我独立思考和解决问题的能力。这本书，让我不再是被动地接受知识，而是主动地去探索和运用。

评分☆☆☆☆☆

深入浅出，非常不错，赞一个

评分☆☆☆☆☆

深入浅出，非常不错，赞一个

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贝壳的书

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对于科研人员值得进一步学习的好书，看吧，很有用的

评分☆☆☆☆☆

还可以，内容相对简单

评分☆☆☆☆☆

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