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第1篇 基于液—固转变的材料加工3

1 液态金属与凝固结晶3

1.1 液态金属的结构和性质3

1.1.1 金属从固态熔化为液态时的变化3

1.1.2 液态金属的结构6

1.1.3 液态金属的性质9

1.2 凝固结晶热力学和动力学16

1.2.1 金属液—固转变的热力学条件16

1.2.2 均质形核18

1.2.3 异质形核20

1.2.4 晶体长大22

习题26

参考文献27

2 液态金属的流动与凝固传热28

2.1 液态金属的流动性和充型能力28

2.1.1 液态金属流动性与充型能力的基本概念28

2.1.2 液态金属的停止流动机理29

2.1.3 液态金属充型能力的计算30

2.2 液态金属的流动31

2.2.1 凝固过程中液体流动的分类31

2.2.2 凝固过程中液相区的液体流动32

2.2.3 液态金属在枝晶间的流动34

2.3 凝固传热35

2.3.1 铸造过程中的传热35

2.3.2 焊接过程中的传热41

习题45

参考文献45

3 凝固过程与组织控制47

3.1 凝固过程概述47

3.1.1 凝固过程简介47

3.1.2 凝固过程中的溶质分配与传质48

3.2 单相合金的凝固52

3.2.1 平衡凝固53

3.2.2 近平衡凝固54

3.2.3 界面稳定性与晶体形态61

3.3 多相合金的凝固68

3.3.1 共晶合金的凝固68

3.3.2 偏晶合金的凝固74

3.3.3 包晶合金的凝固76

3.4 凝固组织控制78

3.4.1 普通铸件的凝固组织与控制78

3.4.2 定向凝固组织控制84

3.4.3 焊缝凝固组织控制88

3.4.4 快速凝固93

习题99

参考文献100

4 熔体质量控制101

4.1 气体与液态金属的相互作用101

4.1.1 氢与液态金属的相互作用101

4.1.2 氮与液态金属的相互作用105

4.1.3 氧与液态金属的相互作用107

4.2 熔渣与液态金属的相互作用111

4.2.1 熔渣及其特性111

4.2.2 活性熔渣对金属的氧化117

4.2.3 脱氧处理119

4.2.4 渗金属反应124

4.2.5 脱硫与脱磷125

4.3 液态金属的处理与保护129

4.3.1 液态金属的净化处理129

4.3.2 液态金属的细化处理131

4.3.3 液态金属的变质处理136

4.3.4 液态金属的保护140

习题143

参考文献144

5 凝固缺陷145

5.1 偏析145

5.1.1 微观偏析145

5.1.2 宏观偏析151

5.2 气孔155

5.2.1 析出性气孔155

5.2.2 侵入性气孔158

5.2.3 反应性气孔158

5.2.4 气孔的有害作用及防止措施159

5.3 非金属夹杂物159

5.3.1 非金属夹杂物的来源和类型159

5.3.2 非金属夹杂物的影响159

5.3.3 控制非金属夹杂物的措施160

5.4 缩孔与缩松161

5.4.1 金属的收缩161

5.4.2 缩孔与缩松的形成162

5.4.3 影响因素和防止措施163

5.5 应力与裂纹164

5.5.1 金属凝固过程中的内应力164

5.5.2 凝固裂纹166

习题170

参考文献170

第2篇 基于气—固转变的材料加工173

6 气—固转变基础173

6.1 气体与固体173

6.1.1 气体分子运动论173

6.1.2 固体表面的特点177

6.1.3 物理吸附和化学吸附178

6.1.4 吸附几率、吸附（弛豫）时间和吸附等温线181

6.2 薄膜的生长模式183

6.2.1 核形成与生长184

6.2.2 连续薄膜的生长187

6.3 薄膜的外延生长188

6.3.1 晶格匹配与外延缺陷188

6.3.2 外延薄膜的成分控制189

6.3.3 外延生长的特点190

6.4 非晶薄膜192

6.5 薄膜的内部应力与附着强度193

6.5.1 热应力和生长应力194

6.5.2 附着力195

6.6 台阶覆盖率196

习题196

参考文献197

7 物理气相沉积Ⅰ——真空蒸发镀膜198

7.1 真空蒸发原理198

7.1.1 真空蒸发物理过程199

7.1.2 蒸发热力学199

7.1.3 残余气体对蒸发过程的影响202

7.1.4 蒸发粒子在衬底的沉积204

7.2 物质的蒸发特性及膜厚分布204

7.2.1 点蒸发源204

7.2.2 小平面蒸发源205

7.2.3 细长平面蒸发源206

7.2.4 环状蒸发源207

7.2.5 蒸发源与衬底的相对位置208

7.3 蒸发源的类型210

7.3.1 电阻蒸发源210

7.3.2 电子束蒸发源213

7.3.3 高频感应蒸发源215

7.3.4 激光熔融蒸发源215

7.4 特殊的真空蒸发215

7.4.1 分子束外延法215

7.4.2 电弧蒸发法217

7.4.3 热壁法218

7.4.4 离子镀218

习题219

参考文献219

8 物理气相沉积Ⅱ——溅射镀膜221

8.1 溅射原理221

8.1.1 溅射过程221

8.1.2 溅射机理223

8.1.3 溅射特性224

8.1.4 辉光放电229

8.2 溅射技术234

8.2.1 二极直流溅射234

8.2.2 射频溅射235

8.2.3 磁控溅射236

习题243

参考文献243

9 化学气相沉积244

9.1 概述244

9.2 化学气相沉积基本原理245

9.3 化学气相沉积热力学247

9.4 化学气相沉积动力学248

9.5 化学气相沉积成膜的影响因素252

9.6 常用化学气相沉积工艺简介253

9.6.1 常压和低压化学气相沉积253

9.6.2 等离子体化学气相沉积255

9.6.3 金属有机化合物气相沉积257

9.6.4 激光（诱导）化学气相沉积259

9.7 几种常用薄膜的制备260

9.7.1 二氧化硅（SiO2）薄膜260

9.7.2 氮化硅（Si3N4）薄膜261

9.7.3 氮化钛（TiN）薄膜262

9.7.4 硅化钨（WSix）薄膜263

9.7.5 多晶硅薄膜264

9.7.6 金属薄膜265

习题266

参考文献266

第3篇 基于固态转变的材料加工269

10 塑性成形的物理基础269

10.1 冷塑性成形269

10.1.1 单晶体的塑性变形机理270

10.1.2 多晶体的塑性变形机理272

10.1.3 合金的塑性变形274

10.1.4 冷塑性变形对组织性能的影响275

10.2 热塑性成形277

10.2.1 软化278

10.2.2 热塑性变形机理282

10.2.3 合金的热塑性变形283

10.2.4 热塑性变形对组织性能的影响283

10.3 超塑性成形285

10.3.1 超塑性变形的特点285

10.3.2 超塑性变形的类型286

10.3.3 超塑性变形对组织性能的影响288

10.3.4 超塑性变形机理289

10.4 塑性和变形抗力的影响因素290

10.4.1 塑性指标和塑性图290

10.4.2 塑性的影响因素291

10.4.3 提高塑性的途径300

10.4.4 变形抗力及其影响因素300

习题302

参考文献303

11 塑性成形的力学基础304

11.1 基本假设304

11.2 应力分析305

11.2.1 外力、内力、应力和点的应力状态305

11.2.2 直角坐标系中一点的应力状态306

11.2.3 张量306

11.2.4 任意斜面上的应力307

11.2.5 主应力及应力张量不变量309

11.2.6 主切应力和最大切应力312

11.2.7 应力球张量和应力偏张量314

11.2.8 八面体应力和等效应力316

11.2.9 应力莫尔圆318

11.2.10 应力平衡微分方程321

11.3 应变分析323

11.3.1 应变的概念323

11.3.2 应变与位移的关系326

11.3.3 应变张量分析328

11.3.4 应变协调方程334

11.3.5 平面问题和轴对称问题335

11.3.6 应变增量和应变速率338

11.3.7 有限变形340

11.4 屈服准则342

11.4.1 Tresca屈服准则342

11.4.2 Mises屈服准则343

11.4.3 屈服准则的几何表示345

11.4.4 两屈服准则的统一表达式348

11.5 本构方程350

11.5.1 塑性应力应变关系350

11.5.2 弹性应力应变关系351

11.5.3 塑性变形的增量理论352

11.5.4 塑性变形的全量理论355

11.6 塑性成形问题求解方法356

11.6.1 主应力法357

11.6.2 主应力法的应用——长矩形板镦粗时的变形力和平均压力357

习题359

参考文献362

12 粉末冶金原理363

12.1 概述363

12.2 粉末的制备及表征364

12.2.1 粉末的制备364

12.2.2 粉末的表征375

12.3 粉末的成形378

12.3.1 成形前粉末的预处理378

12.3.2 粉末压制成形原理378

12.4 粉末的烧结386

12.4.1 烧结的基本过程386

12.4.2 烧结的热力学问题387

12.4.3 烧结驱动力388

12.4.4 物质迁移及烧结动力学390

12.4.5 烧结过程的孔隙变化396

12.5 粉末冶金材料的结构、特性及工程应用397

12.5.1 粉末冶金材料的性能特点397

12.5.2 粉末冶金材料的工程应用399

习题400

参考文献401