凝固科學基礎（簡體書）

水的結冰，地球熔岩的冷卻與礦產資源的形成等地質學問題都與凝固有關。《凝固科學基礎》系統地闡述有關凝固的基本理論，說明凝固過程的物理本質和伴隨發生的現象、影響因素和控制原理。《凝固科學基礎》分成8章，在說明液體的結構（第1章）和凝固發生的條件（第2章）的基礎上，討論晶核的形成和晶體的長大（第3章），凝固過程的熱量、質量和動量傳輸（第4、5章），凝固過程控制與非晶態、微晶和准晶的形成（第6章）。從組織結構的角度看，前6章的討論著重於原子級或微觀結構的形成和凝固的溶質的分佈情況。隨後，討論伴隨凝固過程發生的現象與對策（第7章），這一章著重於宏觀過程。最後，集中討論陶瓷材料的凝固問題（第8章）。《凝固科學基礎》引入130（尚未計1、4章）個案例，幫助讀者理解有關理論與工藝原理。這是《凝固科學基礎》的特點，讀者可以根據需要選擇閱讀，其中一些案例是作者們的研究成果。

《凝固科學基礎》主要面向材料科學與工程，特別是材料加工工程領域的讀者，可以作為大學有關專業的教材或參考書。對于有興趣了解凝固科學理論的讀者，《凝固科學基礎》可作為一本快速入門且不失全面性的參考書。

5.2.1驅動力
液體流動稱為對流。液體受力引起流動，其他部位將補充流體，因而過程是連續不斷的。存在三種力驅動凝固過程液相流動。
（1）重力：熔體與環境間存在很大的溫差，熔體內必然存在溫度梯度。除純金屬外，凝固過程的溶質再分配使液相內存在濃度梯度。溫度和濃度兩種梯度聯合作用，在液相內部形成密度梯度。在重力場條件下，它將驅使流體產生稱為自然對流（natural convection）的流動，這是難以避免的。對先凝固區域產生空間進行補縮流動時，重力起重要作用。
（2）外力：熔體被外力驅動流動稱為強迫對流（forced convection）。普遍存在的驅動力是固相收縮產生的作用力，它是補縮流動的驅動力之一。電場和磁場產生的電磁力也是最常見的例子。它們有時是伴隨工藝方法形成的，如電渣重熔（electroslag remelting）工藝的密集電流會產生磁場引起攪動，這種附加作用是有益的，它改進了鑄錠組織。電磁攪拌已經成為一種先進工藝，安裝專用裝置以強迫液相在凝固過程流動（6.5.3.2節）。
（3）界面張力：當熔體內氣、液、固相界面存在界面張力梯度，液體界面上的切應力將引起稱為界面張力流或熱毛細對流的流動。當界面張力梯度是非穩定時，在界面會產生局部的旋渦，通常稱為界面紊流，由于極大地增強兩相間的傳質，它在實際應用上十分重要。對黏性流體的層流流動與界面紊流都進行過實驗與數學模型研究。界面張力是溫度和成分的函數，溫度和成分梯度是產生界面張力梯度的主要原因。任何界面張力的變化，都將影響液體的流動。在一定條件下，如當液體表面相對其體積足夠大時，界面張力差引起的力可能超過密度差引起的力，界面張力可能嚴重地影響液體運動的狀態。
5.2.2凝固過程液相對流現象
本節通過10個有代表性的案例，幫助讀者理解凝固過程液相流動現象的表現、形成與本質，以及流動對形成宏觀偏析的決定性影響。
5.2.2.1 垂直單向凝固過程糊狀區的局部對流流動
在凝固過程形成的兩相共存的糊狀區（mushy zone）內，在一定的條件下，會形成局部的對流流動。這是凝固過程流動的一種重要形態。凝固后，富集溶質的局部流道形成偏析條帶，因此被稱為通道偏析（channel segregates）。這是一種宏觀偏析缺陷。
首先采用實驗方法對運動狀態比較簡單的垂直單向凝固進行深入探討，獲得的成果對部分凝固系（糊狀區）內液相流動的研究起了推動作用。在鹽一水系實驗中直接觀察糊狀區內局部流動的形成，探討其形成條件（案例5.2），以此作為金屬鑄件的模擬，證實通道偏析條帶是局部流動通道凝固后的產物。
在垂直單向凝固鑄件和真空自耗電極鑄錠垂直的斷面內，通道偏析形態為一些小直徑的、近似平行于重力方向、斷面近似圓形的條帶（案例5.3）。它們的直徑約為枝晶間距的10倍，長度可達1m，如圖5.4和圖5.5所示，由于在橫斷面上的形狀而被稱為稱為斑點（freckle）缺陷。將未凝固的液相傾出，可以看到在凝固前沿（固一液界面）存在小洞，如圖5.5（c）所示，說明條帶內液相熔點比較低，富集溶質元素。例如，在Ni基合金錠中，富集了C、Al、Ti、Nb、B、Zr和Si等。