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方大成编著的《凝固科学基础》系统阐述有关凝固的基本理论，说明凝固过程的物理本质、伴随发生的现象、影响因素和控制原理。本书可以作为大学有关专业的教材或参考书。对于有兴趣了解凝固科学理论的读者，本书可作为一本快速入门且不失全面性的参考书。
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| 內容簡介： |
《凝固科学基础》系统阐述有关凝固的基本理论，说明凝固过程的物理本质、伴随发生的现象、影响因素和控制原理。
全书分成8章，在说明液体的结构（第1章）和凝固发生的条件（第2章）的基础上，从原子级或微观结构形成的角度，讨论晶核的形成和晶体的长大（第3章），第4章和第5章阐述凝固过程的热量、质量和动量传输，第6章讨论凝固过程控制与非晶态、微晶和准晶的形成。随后着重于宏观过程，讨论伴随凝固过程发生的现象与对策（第7章）。从材料的角度看，前7章讨论的实验基础偏重于金属。最后，集中讨论陶瓷材料的凝固问题（第8章）。全书引入170个案例，帮助读者理解凝固理论与工艺原理，了解研究方法。其中一些案例是作者的研究成果。
《凝固科学基础》主要面向材料科学与工程，特别是材料加工工程领域的读者，可以作为大学有关专业的教材或参考书。对于有兴趣了解凝固科学理论的读者，《凝固科学基础》可作为一本快速入门且不失全面性的参考书。
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| 目錄：
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目录
前言
主要符号表
绪论
参考文献
第1章 液体结构与物理性质
1.1 液体结构的研究方法
1.1.1 X射线衍射图
1.1.2 径向分布函数
1.2 液体的结构
1.2.1 晶体的结构简述
1.2.2 熔化引起的结构变化
1.2.3 短程序概念
1.2.4 温度的影响
1.2.5 液体的结构类型
1.2.6 液体结构的不均匀性
1.3 熔化产生的物理参数变化
1.3.1 潜热
1.3.2 体积变化
1.3.3 导电、导热与扩散性能
1.4 界面现象
1.4.1 界面能
1.4.2 Laplace方程
1.4.3 溶质元素的影响
1.4.4 多相界面张力平衡
1.5 黏度
1.5.1 温度对黏度的影响
1.5.2 溶质对黏度的影响
1.6 液体结构模型和理论
1.6.1 液体结构理论
1.6.2 液体内分子运动的计算机模拟
1.6.3 液态中的电子态
参考文献
第2章 凝固的热力学基础
2.1 相变反应自发性判断标准
2.1.1 过冷
2.1.2 单成分系统ΔG的计算
2.1.3 二元溶液的自由能成分图
2.2 相平衡
2.2.1 非均质系内相平衡的条件
2.2.2 亚稳相
2.2.3 压力对相平衡的影响
2.2.4 界面对平衡的影响
参考文献
第3章 凝固的结晶学基础
3.1 经典形核理论
3.1.1 晶核的临界半径
3.1.2 异质基底上结晶的条件
3.1.3 形核率
3.2 固-液界面结构
3.2.1 固-液界面的实验观察
3.2.2 固-液界面结构模型和理论
3.3 晶体生长
3.3.1 动力学过冷
3.3.2 生长机制
3.3.3 凝固形成的晶体缺陷
3.3.4 晶界
3.3.5 动力学:生长速率
3.4 凝固过程溶质的分配
3.4.1 分布系数
3.4.2 平衡与非平衡凝固
3.4.3 固-液界面平衡假设
3.4.4 凝固时溶质的分布规律
3.4.5 无溶质扩散的凝固过程
3.5 凝固前沿固-液界面的稳定性
3.5.1 成分过冷
3.5.2 固-液界面的稳定性
3.6 多相合金的结晶
3.6.1 共晶合金的结晶
3.6.2 包晶结晶
3.6.3 偏晶结晶
参考文献
第4章 凝固过程的传热问题
4.1 凝固区域
4.1.1 确定凝固区域位置的实验方法
4.1.2 铸件的凝固方式
4.2 铸件-铸型界面
4.3 基于热传导确定温度场的方法
4.3.1 热传导的偏微分方程
4.3.2 数学分析方法求解
4.3.3 数值计算法求解
4.4 Chvorinov法则
参考文献
第5章 凝固过程液相的流动现象
5.1 熔体中的颗粒、气泡和液滴
5.1.1 单个颗粒在液相中的运动
5.1.2 气泡和液滴在液相中的运动
5.2 凝固过程液相流动现象
5.2.1 驱动力
5.2.2 凝固过程液相对流现象
5.3 用数学描述凝固过程流体流动的方法
5.3.1 糊状区的处理
5.3.2 守恒方程
5.3.3 数学模型的建立
5.4 充型过程流动
5.4.1 充型过程的流动现象
5.4.2 浇注系统设计原理
5.4.3 熔体的流动性及其测定方法
5.4.4 熔体成分对充型能力的影响
5.4.5 铸型条件对充型能力的影响
5.5 半固态熔体的流变行为
5.5.1 半固态金属浆料的制备
5.5.2 半固态浆料成型技术
参考文献
第6章 凝固组织及其控制
6.1 晶粒组织
6.2 铸态宏观组织
6.2.1 表面激冷层
6.2.2 柱状晶
6.2.3 等轴晶
6.2.4 混合组织
6.2.5 亚结构
6.3 影响晶粒结构的因素
6.3.1 成分
6.3.2 热流
6.3.3 熔体状况
6.3.4 流动
6.4 非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶
6.4.1 非晶态相
6.4.2 准晶
6.4.3 微晶、纳米晶
6.5 凝固组织控制
6.5.1 柱状晶与等轴晶的选择
6.5.2 熔体处理:孕育变质剂
6.5.3 扰动:振动与电磁搅拌
6.5.4 单向柱状晶与单晶铸件:单向凝固
6.5.5 从熔体生长晶体
6.5.6 快速凝固
6.6 熔化焊接金属的凝固
6.6.1 熔化焊接金属的凝固条件
6.6.2 熔化焊接金属的组织与控制
参考文献
第7章 伴随凝固与冷却过程产生的现象
7.1 由液态至常温的体积变化
7.1.1 收缩的一般规律
7.1.2 收缩系数与收缩率
7.1.3 铸造收缩率
7.2 缩孔与缩松
7.2.1 缩孔
7.2.2 缩松
7.2.3 凝固过程膨胀的影响
7.3 在固相线附近温度区间形成裂纹
7.3.1 裂纹特征
7.3.2 热裂形成温度
7.3.3 形成热裂的原因
7.3.4 合金的热裂敏感性
7.4 冷却过程产生的内应力
7.4.1 热应力
7.4.2 消除残留应力的方法
7.4.3 冷裂
7.5 凝固过程中的气体问题
参考文献
第8章 陶瓷材料中的凝固问题
8.1 陶瓷材料凝固的特点
8.2 陶瓷材料熔铸
8.2.1 玻璃
8.2.2 结晶陶瓷
8.2.3 从熔体直接获得结晶陶瓷
8.3 固相窄缝中液相的凝固问题
8.3.1 液相烧结过程液相的形成与特点
8.3.2 液相在固相间隙中的流动与分配
8.3.3 液相与固相的相互作用
8.3.4 液相的凝固
参考文献
索引
案例目录
案例1.1 一些液态金属的X射线衍射强度曲线
案例1.2 铋的径向分布函数
案例1.3 金的径向分布函数
案例1.4 铌酸锂的晶体结构
案例1.5 一些金属的配位数
案例1.6 温度对Ar径向分布函数的影响
案例1.7 铌酸锂的熔体结构
案例1.8 水的结构
案例1.9 一些物质的汽化潜热和熔化潜热对比
案例1.10 液态金属的表面张力
案例1.11 最大气泡压力法测量表面张力
案例1.12 一些溶质元素对Al表面张力的影响
案例1.13 常见液态金属的黏度
案例1.14 Al-Cu合金的黏度
案例1.15 Sn-Bi合金的黏度
案例1.16 随机密集堆积刚球的径向分布函数
案例1.17 物质中分子运动轨迹的计算机模拟
案例2.1 单成分系统的冷却曲线
案例2.2 铸铁的冷却曲线
案例2.3 共晶系相图与自由能成分图
案例2.4 碳的亚稳相
案例2.5 Fe-C系的亚稳相
案例2.6 共晶系相图中共生区位置的研究
案例2.7 拐点的概念
案例3.1 结晶的动态过程
案例3.2 富Fe相晶体作为Cu结晶基底
案例3.3 与基底接触的新相表面层被变形的实例
案例3.4 Al3Ti作为Al结晶基底
案例3.5 加P为Al-Si合金初生硅提供结晶基底
案例3.6 晶体Si与液相Al-Si合金界面
案例3.7 Al的固-液界面
案例3.8 纯Ni固-液界面的分子动力学模拟
案例3.9 VLS晶体生长方法
案例3.10 Al-Si合金Si晶体生长的电镜观察
案例3.11 枝晶生长的相场模拟
案例3.12 提拉法生长无位错Si单晶体
案例3.13 铸铁中石墨的旋转孪晶
案例3.14 Al-Si合金初生Si的反射孪晶
案例3.15 泡沫模型演示晶界
案例3.16 沸腾钢中残存FeO的形貌
案例3.17 加稀土元素后铜合金的晶周相形貌
案例3.18 钢中镜片状夹杂物
案例3.19 脱氧铜的平衡组织
案例3.20 富Al晶体的生长速率实验研究
案例3.21 两种类型分布系数举例
案例3.22 Al-4~5%Cu二元合金的非平衡凝固
案例3.23 区域熔炼
案例3.24 Ag-Cu系的T0线
案例3.25 Pb凝固前沿表面的平面组织
案例3.26 Al-CuAl2共晶合金凝固前沿表面的平面组织
案例3.27 Pb-0.1%Sn的胞状组织
案例3.28 Al-Cu单相合金的胞状组织
案例3.29 Al-Ag2Al共晶合金的胞状组织
案例3.30 Al-Si合金共晶体凝固
案例3.31 灰铸铁共晶团形貌
案例3.32 球墨铸铁的共晶团形貌
案例3.33 Ag-Cu合金共晶凝固组织
案例3.34 Zn-Mg合金共晶凝固组织
案例3.35 LiF-NaF和NaF-NaCl的共晶组织
案例3.36 灰铸铁中三元P共晶形貌
案例3.37 Al-Cu-Mg三元共晶体形貌
案例3.38 铝黄铜ZCuZn24Al5Fe2Mn2的凝固过程
案例3.39 Zn-Cu包晶合金的凝固组织
案例3.40 Al-Bi偏晶合金的单向凝固
案例3.41 Al-In偏晶合金的单向凝固组织
案例3.42 Al-Pb偏晶合金的微观结构
案例4.1 用自射线照相显示铸锭的凝固边界
案例4.2 锡青铜Cu88Sn10Zn2的凝固动态曲线
案例4.3 砂型铸件的界面
案例4.4 金属型铸件的界面
案例4.5 连铸坯结晶器的界面
案例4.6 一维导热问题的数学分析解
案例4.7 连续铸钢机的凝固常数
案例4.8 大型船用螺旋桨铸件温度场的测定
案例4.9 圆坯连续铸钢结晶器内热与力学行为的研究
案例5.1 钢液内夹杂物上浮速率计算
案例5.2 垂直单向凝固过程糊状区局部对流形成机制的研究
案例5.3 垂直单向凝固铸件的斑点缺陷
案例5.4 钢锭凝固过程液相对流模式测定
案例5.5 三维散热凝固过程糊状区局部对流的实验观察
案例5.6 三维散热铸锭的A型偏析
案例5.7 逆偏析举例
案例5.8 大型铝黄铜螺旋桨中铁偏析的研究
案例5.9 In-Sb合金在超重力条件下凝固
案例5.10 Zn-Bi合金在微重力条件下凝固
案例5.11 渗透率经验值的选取
案例5.12 计算枝晶间流动速率
案例5.13 应用连续模型预测二元合金单向凝固
案例5.14 应用连续模型预测二元合金凝固
案例5.15 应用体积平均模型预测二元合金单向凝固
案例5.16 封闭式浇注系统的计算
案例5.17 铸铁熔体流动速率和阻力系数的测定
案例5.18 使用水模拟方法优化集渣包尺寸
案例5.19 Pb-Sb系的铸造流动性
案例5.20 Al-Si系的流动性
案例5.21 液态金属停止流动机理的研究
案例5.22 浇注温度对铸铁充型能力的影响
案例5.23 充填狭窄型腔临界压头计算
案例5.24 半固态Al-4.5%Cu-1.5%Mg合金的流动性
案例5.25 半固态触变成型角框件
案例6.1 铁碳系平衡凝固时晶粒的形成
案例6.2 大型钢锭的铸态组织与宏观偏析
案例6.3 连续铸钢方坯晶粒组织与凝固速率的关系
案例6.4 ZG4Cr25Ni40HK-40钢离心铸管铸态宏观组织
案例6.5 微重力对二次枝晶臂间距的影响案例
案例6.6 非晶态Pd-20%原子分数Si合金电子衍射图
案例6.7 非晶态Se的径向分布函数
案例6.8 非晶态硅的无规网络模型
案例6.9 氧化硅玻璃的结构
案例6.10 准晶的发现
案例6.11 深过冷Al72Ni12Co16合金凝固形成的准晶
案例6.12 Penrose模型
案例6.13 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9纳米晶结构的形成
案例6.14 超级合金燃气轮机整体铸造径向导风轮轮毂晶粒细化
案例6.15 孕育铸铁
案例6.16 Al-Si合金变质处理
案例6.17 超声波振动Sn-Sb合金组织
案例6.18 脉冲强磁场处理铝熔体
案例6.19 高压脉冲强电流处理铝熔体
案例6.20 电磁搅拌在连续铸钢中应用
案例6.21 燃气轮机精密铸造叶片
案例6.22 制备具有特定取向的TbDyFe合金
案例6.23 连铸单晶线材
案例6.24 多晶硅单向凝固铸锭
案例6.25 Al-Si共晶合金的单向凝固的研究
案例6.26 溅射铝合金的枝晶臂间距的研究
案例6.27 喷射雾化与喷射沉积Al75Mn10Cr5Si10合金的形态和微观组织
案例6.28 自由喷射熔体甩出法free-jet melt spinning制造金属薄带
案例6.29 自由喷射单辊法制造微晶薄带
案例6.30 激光重熔参数举例
案例6.31 悬浮熔炼法举例
案例6.32 不锈钢熔焊焊缝组织的研究
案例6.33 ZG4Cr25Ni40钢HK40高温炉管的焊缝组织
案例6.34 钢板点焊的凝固组织
案例7.1 铸钢的收缩
案例7.2 铸铁的收缩
案例7.3 有色金属的收缩
案例7.4 明冒口与补贴应用举例
案例7.5 轮形铸件轮缘的补缩方案
案例7.6 大气压力冒口
案例7.7 使用Chvorinov法则计算冒口举例
案例7.8 冒口大小对以糊状方式凝固的铸件的影响
案例7.9 锡青铜海水阀体铸造工艺
案例7.10 亚共晶灰铸铁和球墨铸铁的缩孔
案例7.11 产生热裂的温度范围的研究
案例7.12 在两壁交接处形成外热裂举例
案例7.13 由于铸造工艺设计不良引起热裂举例
案例7.14 双金属离心铸造缸套的裂纹缺陷
案例7.15 合金的热裂敏感性的研究
案例7.16 铸件内应力例一
案例7.17 铸件内应力例二
案例7.18 亚共振振动sub-resonant vibrations消除残留应力
案例7.19 冷裂纹的穿晶断裂特征
案例7.20 铸铁机床床身冷裂
案例7.21 熔模精密铸造铸件冷裂
案例7.22 凝固过程气体析出机制的模拟研究
案例7.23 氢引起的形状不规则的气孔
案例7.24 皮下气孔的形成机制
案例7.25 铝黄铜铸锭气孔分析
案例7.26 Gasar方法
案例8.1 Li2O-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷材料
案例8.2 铸造玄武岩板材工艺
案例8.3 玄武岩单向凝固的实验研究
案例8.4 CaO-MgO-Al2O3-SiO2系离心铸管的凝固过程
案例8.5 Si3N4-MgO系陶瓷烧结时液相的形成与其凝固组织
案例8.6 使用熔渗工艺生产Fe-石墨渗Cu制品
案例8.7 金属陶瓷的湿润性问题
案例8.8 液相存在时毛细管力的模型
案例8.9 W-Ni系陶瓷烧结过程研究
案例8.10 ZnO-Bi2O3系陶瓷的非晶态相
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第1 章 液体结构与物理性质
凝固是液态向固态转变的相变过程。凝固过程与液体的结构和性质有关。
作为讨论的基础，首先应当了解液体的结构与相关的物理性质。本章只讨论经典液体，不涉及液晶。
1.1 液体结构的研究方法
要了解液体结构，首先要了解研究液体结构的方法。与晶体结构一样，关于液体结构的信息都是通过实验获取的。使用的方法包括X 射线、中子、电子的衍射和扩展X 射线吸收精细结构谱（ EXAFS）等。用中子射线衍射测定的结果和X 射线是一致的。对熔体结构进行测定的实验难度很大，测定结果有时存在差异。
1.1.1 X 射线衍射图
用单色射线所得到的液体X 射线照片，其特征是有一个强的圆光斑区，以此为中心，有一个或两个围绕着它的弥散的光环（与图6.20 类似） ，没有表征结晶态的任何斑点和清晰的条纹。根据液体所散射的单波长X 射线实验，可以作出衍射图，也可以用晶体衍射仪直接测得。衍射图给出衍射束的强度I 和散射（衍射）角θ的函数关系。案例1.1 是典型的例子。X 射线衍射图谱出现的几个最高点，表明原子（结构为原子的液体）或分子间的互相位置存在一定的规律。图谱为研究液体的结构提供依据。
案例1.1 一些液态金属的X 射线衍射强度曲线
图1.1 提供一些实验结果。衍射强度曲线横坐标为sinθλ ，其中λ 为波长。
Au 熔体的研究温度为1100 ℃ ［1］ ，Pb 、Bi 和K 的研究温度都在熔点附近［2］ 。资料引自不同文献，图中纵坐标衍射束强度并未给出单位，因此数值差异很大。所有曲线都有共同的特征，它们有相当明显的峰值，它们都与相应的固态金属晶体所获得的衍射线的位置在一定程度上是相对应的。
1.1.2 径向分布函数
根据液体的X 射线衍射或中子衍射图，可以得出径向分布函数（radial distri-bution function）（Zernicke 和Prins 于1927 年提出） ，它能够定量地描述一定温度下液体分子的分布［ 1］ 。通常都是采用径向分布函数描述液体结构。
以任意一个位于中心静止位置的原子为参考原子。对于球形质点，径向分布函数由下式确定［2］ ，即
nr ，r+ d r ＝ 4π r2 drρ（ r） （1.1）
式中，r 为距参考原子的距离；nr ，r +
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