- 科学出版社
- 9787030860873
- 1版
- B5
- 2026-08
作者简介
内容简介
本书系统阐述无容器、微重力、深过冷、高温度梯度等超常条件下铁基合金的相变机理与微观组织演变规律，深入解析超常凝固过程中传热传质特征与晶体生长动力学机制，阐明铁基合金制备过程中的相变行为及其力学、腐蚀、磁学性能之间的内在关联，提出超常条件下提升铁基合金应用性能的组织调控方法。本书内容兼顾实验研究与理论积累，能够为冶金工程、高端制造装备等领域高性能铁基合金材料的研发提供技术借鉴和理论参考。
目录
目录
前言
符号表
第1章 概论 1
1.1 超常凝固条件的建立 1
1.1.1 常规凝固过程 1
1.1.2 超常凝固条件的定义 1
1.2 空间环境重构条件下材料制备 2
1.2.1 空间环境重构技术路线 2
1.2.2 空间环境重构条件下金属材料研究 5
1.3 新型定向凝固技术 8
1.3.1 定向凝固理论基础 8
1.3.2 新型定向凝固技术发展 9
1.4 Fe-Ni基合金的研究现状 11
1.4.1 Fe-Ni基合金的相变机理 11
1.4.2 Fe-Ni基合金的计算模拟方法 12
参考文献 13
第2章 实验、模拟与分析方法 20
2.1 引言 20
2.2 实验方法 20
2.2.1 熔体浸浮 20
2.2.2 电磁悬浮 21
2.2.3 自由落体 21
2.2.4 电磁悬浮-自由落体-液淬/压铸成形 21
2.2.5 定向凝固与其耦合固态相变协控 22
2.3 计算模拟方法 25
2.3.1 形核与枝晶生长理论 25
2.3.2 物理场有限元模拟 26
2.3.3 第一性原理计算 29
2.3.4 相图热力学计算 30
2.4 分析表征与性能测试方法 30
2.4.1 相组成与成分分析 30
2.4.2 微观组织与结构分析 30
2.4.3 晶体生长速率测定 31
2.4.4 温度梯度测定 32
2.4.5 应用性能测试 33
2.5 本章小结 35
参考文献 35
第3章 三元Fe-Ni-Cr合金中快速枝晶与共晶生长规律 37
3.1 引言 37
3.2 Fe-14.6Ni-4.4Cr合金中亚稳相形成与溶质分布 38
3.2.1 相组成与近平衡凝固路径 38
3.2.2 电磁悬浮条件下固液界面迁移过程的原位观测 39
3.2.3 电磁悬浮条件下亚稳相形成动力学 42
3.2.4 电磁悬浮条件下(αFe)相的生长取向 43
3.2.5 自由落体条件下枝晶生长及溶质分布 44
3.3 Fe-13Cr-5Ni合金中板条状马氏体的形成过程 49
3.3.1 相组成与近平衡凝固路径 50
3.3.2 电磁悬浮条件下高温亚稳相的形核生长 50
3.3.3 自由落体条件下板条状马氏体的特征演变 53
3.3.4 枝晶生长动力学的理论分析 54
3.4 Cr-43Ni-10Fe合金液滴中快速共晶生长 56
3.4.1 合金的相组成 56
3.4.2 自由落体条件下共晶组织转变 58
3.4.3 自由落体-液淬条件下两相的竞争形核与生长 61
3.4.4 自由下落液滴内的传热特征 63
3.5 Cr-43Ni-10Fe合金的微观组织与耐蚀性能调控 68
3.5.1 电磁悬浮合金的共晶生长动力学 68
3.5.2 空间压铸成形过程中液态合金的多物理场演化过程 70
3.5.3 电磁悬浮-自由落体-压铸成形条件下共晶组织演变规律 76
3.5.4 快速凝固合金的电化学腐蚀性能 79
3.6 本章小结 83
参考文献 84
第4章 快速凝固Fe-Ni-Mo-Cr合金的析出相和双相组织 87
4.1 引言 87
4.2 Fe-13Ni-10Mo-5Cr合金的耐磨性能与多重强化机制 88
4.2.1 合金的热历史过程 88
4.2.2 过冷合金的枝晶生长动力学 89
4.2.3 过冷合金的枝晶间组织演变 91
4.2.4 相的晶体结构与原子排布 92
4.2.5 自由落体合金的快速凝固 95
4.2.6 过冷合金的耐磨机理 95
4.3 电磁悬浮-液淬条件下Fe-20Mo-12Ni-6Cr合金的磁结构与磁性能 101
4.3.1 相变路径与凝固动力学 101
4.3.2 合金的微观组织演变 103
4.3.3 合金的磁畴分布 104
4.3.4 合金的宏观磁性能 105
4.3.5 各相的电子自旋与原子磁矩 108
4.4 Fe-21Cr-12Ni-5Mo合金的相选择与耐蚀机理 111
4.4.1 合金成分设计与相变路径 112
4.4.2 快速凝固合金的(αFe)/(γFe)相选择 115
4.4.3 固液界面迁移动力学与多物理场模拟 117
4.4.4 合金的耐蚀机理 120
4.4.5 相取向与溶质分布对腐蚀行为的影响 123
4.5 本章小结 129
参考文献 131
第5章 过冷Fe-Ni-Mo 基合金的枝晶生长与溶质分布 134
5.1 引言 134
5.2 Fe-5Ni-5Mo-5Ge合金的快速枝晶生长与多溶质截留效应 135
5.2.1 微观组织特征 135
5.2.2 (αFe)枝晶生长 137
5.3 Fe-5Ni-5Mo-5Ge-5Co合金的组织演变和微观力学性能 140
5.3.1 第二相特征 140
5.3.2 快速枝晶生长 142
5.3.3 晶体生长对微观力学性能的影响机制 143
5.4 快速枝晶生长与元素掺杂提升多元Fe 基合金的显微硬度 148
5.4.1 枝晶间的复相组织 148
5.4.2 快速枝晶生长与溶质元素对力学性能的作用 149
5.5 本章小结 151
参考文献 152
第6章 三元Fe-Ni-Ti合金的定向凝固与耦合固态相变双联协控 155
6.1 引言 155
6.2 Ni40.6Fe36.4Ti23合金中三元共晶的定向生长 155
6.2.1 定向凝固组织演化 155
6.2.2 液淬对共晶生长的影响 157
6.2.3 三元共晶的取向关系 158
6.2.4 合金的拉伸性能与断裂机制 160
6.3 Fe66.5Ni17.6Ti15.9包共晶合金的定向凝固组织演变 162
6.3.1 定向凝固组织特征 162
6.3.2 初生(δFe)相的固态相变机制 164
6.3.3 包共晶与两相共晶的形成机理 167
6.3.4 生长速度对凝固组织的影响 171
6.4 Fe66.5Ni17.6Ti15.9包共晶合金的定向凝固与固态相变双联协控 174
6.4.1 双联协控组织演变 174
6.4.2 Fe2Ti析出相分布 175
6.4.3 拉伸性能与强化机制 177
6.5 本章小结 180
参考文献 180
第7章 超常凝固条件下三元Fe-Ni-Ti合金的相变规律 183
7.1 引言 183
7.2 自由落体条件下Ni41Fe40Ti19合金中枝晶与共晶的竞争生长 183
7.2.1 合金液滴的传热与形核动力学 183
7.2.2 微重力凝固组织演变 186
7.2.3 合金的微观力学性能 187
7.2.4 初生(γFe)相的压痕尺寸效应 189
7.3 过冷Ni40.6Fe36.4Ti23合金的快速共晶生长与应用性能 192
7.3.1 相组成与热分析 192
7.3.2 枝晶与共晶生长动力学 194
7.3.3 快速凝固组织演变规律 196
7.3.4 三元共晶的结构特征 200
7.3.5 合金液滴的传热与传质 202
7.3.6 快速凝固合金的服役性能 205
7.4 自由落体条件下Fe66.5Ni17.6Ti15.9合金的包共晶转变机理 210
7.4.1 合金的相组成 210
7.4.2 快速凝固对包共晶转变的抑制作用 212
7.4.3 析出相的结构特征 215
7.4.4 快速凝固合金的抗磨性能 215
7.5 急冷Fe66.5Ni17.6Ti15.9包共晶合金的固态相变调控 217
7.5.1 铜模吸铸的冷却速率 217
7.5.2 合金的微观组织特征 219
7.5.3 初生相的溶质分布与脱溶分解 220
7.5.4 合金的压缩性能 221
7.6 本章小结 222
参考文献 223
第8章 空间环境重构条件下钢铁材料的制备与成形 226
8.1 引言 226
8.2 Ce含量和微重力对13Cr不锈钢制备的作用 227
8.2.1 受Ce含量影响的晶格畸变与夹杂物 227
8.2.2 微重力作用下夹杂物的球化 230
8.2.3 13Cr不锈钢的力学性能 233
8.3 2205双相不锈钢的空间压铸成形 234
8.3.1 双相组织的调控 234
8.3.2 双相组织的取向与织构 237
8.3.3 不锈钢的摩擦磨损性能 240
8.4 本章小结 242
参考文献 243
前言
符号表
第1章 概论 1
1.1 超常凝固条件的建立 1
1.1.1 常规凝固过程 1
1.1.2 超常凝固条件的定义 1
1.2 空间环境重构条件下材料制备 2
1.2.1 空间环境重构技术路线 2
1.2.2 空间环境重构条件下金属材料研究 5
1.3 新型定向凝固技术 8
1.3.1 定向凝固理论基础 8
1.3.2 新型定向凝固技术发展 9
1.4 Fe-Ni基合金的研究现状 11
1.4.1 Fe-Ni基合金的相变机理 11
1.4.2 Fe-Ni基合金的计算模拟方法 12
参考文献 13
第2章 实验、模拟与分析方法 20
2.1 引言 20
2.2 实验方法 20
2.2.1 熔体浸浮 20
2.2.2 电磁悬浮 21
2.2.3 自由落体 21
2.2.4 电磁悬浮-自由落体-液淬/压铸成形 21
2.2.5 定向凝固与其耦合固态相变协控 22
2.3 计算模拟方法 25
2.3.1 形核与枝晶生长理论 25
2.3.2 物理场有限元模拟 26
2.3.3 第一性原理计算 29
2.3.4 相图热力学计算 30
2.4 分析表征与性能测试方法 30
2.4.1 相组成与成分分析 30
2.4.2 微观组织与结构分析 30
2.4.3 晶体生长速率测定 31
2.4.4 温度梯度测定 32
2.4.5 应用性能测试 33
2.5 本章小结 35
参考文献 35
第3章 三元Fe-Ni-Cr合金中快速枝晶与共晶生长规律 37
3.1 引言 37
3.2 Fe-14.6Ni-4.4Cr合金中亚稳相形成与溶质分布 38
3.2.1 相组成与近平衡凝固路径 38
3.2.2 电磁悬浮条件下固液界面迁移过程的原位观测 39
3.2.3 电磁悬浮条件下亚稳相形成动力学 42
3.2.4 电磁悬浮条件下(αFe)相的生长取向 43
3.2.5 自由落体条件下枝晶生长及溶质分布 44
3.3 Fe-13Cr-5Ni合金中板条状马氏体的形成过程 49
3.3.1 相组成与近平衡凝固路径 50
3.3.2 电磁悬浮条件下高温亚稳相的形核生长 50
3.3.3 自由落体条件下板条状马氏体的特征演变 53
3.3.4 枝晶生长动力学的理论分析 54
3.4 Cr-43Ni-10Fe合金液滴中快速共晶生长 56
3.4.1 合金的相组成 56
3.4.2 自由落体条件下共晶组织转变 58
3.4.3 自由落体-液淬条件下两相的竞争形核与生长 61
3.4.4 自由下落液滴内的传热特征 63
3.5 Cr-43Ni-10Fe合金的微观组织与耐蚀性能调控 68
3.5.1 电磁悬浮合金的共晶生长动力学 68
3.5.2 空间压铸成形过程中液态合金的多物理场演化过程 70
3.5.3 电磁悬浮-自由落体-压铸成形条件下共晶组织演变规律 76
3.5.4 快速凝固合金的电化学腐蚀性能 79
3.6 本章小结 83
参考文献 84
第4章 快速凝固Fe-Ni-Mo-Cr合金的析出相和双相组织 87
4.1 引言 87
4.2 Fe-13Ni-10Mo-5Cr合金的耐磨性能与多重强化机制 88
4.2.1 合金的热历史过程 88
4.2.2 过冷合金的枝晶生长动力学 89
4.2.3 过冷合金的枝晶间组织演变 91
4.2.4 相的晶体结构与原子排布 92
4.2.5 自由落体合金的快速凝固 95
4.2.6 过冷合金的耐磨机理 95
4.3 电磁悬浮-液淬条件下Fe-20Mo-12Ni-6Cr合金的磁结构与磁性能 101
4.3.1 相变路径与凝固动力学 101
4.3.2 合金的微观组织演变 103
4.3.3 合金的磁畴分布 104
4.3.4 合金的宏观磁性能 105
4.3.5 各相的电子自旋与原子磁矩 108
4.4 Fe-21Cr-12Ni-5Mo合金的相选择与耐蚀机理 111
4.4.1 合金成分设计与相变路径 112
4.4.2 快速凝固合金的(αFe)/(γFe)相选择 115
4.4.3 固液界面迁移动力学与多物理场模拟 117
4.4.4 合金的耐蚀机理 120
4.4.5 相取向与溶质分布对腐蚀行为的影响 123
4.5 本章小结 129
参考文献 131
第5章 过冷Fe-Ni-Mo 基合金的枝晶生长与溶质分布 134
5.1 引言 134
5.2 Fe-5Ni-5Mo-5Ge合金的快速枝晶生长与多溶质截留效应 135
5.2.1 微观组织特征 135
5.2.2 (αFe)枝晶生长 137
5.3 Fe-5Ni-5Mo-5Ge-5Co合金的组织演变和微观力学性能 140
5.3.1 第二相特征 140
5.3.2 快速枝晶生长 142
5.3.3 晶体生长对微观力学性能的影响机制 143
5.4 快速枝晶生长与元素掺杂提升多元Fe 基合金的显微硬度 148
5.4.1 枝晶间的复相组织 148
5.4.2 快速枝晶生长与溶质元素对力学性能的作用 149
5.5 本章小结 151
参考文献 152
第6章 三元Fe-Ni-Ti合金的定向凝固与耦合固态相变双联协控 155
6.1 引言 155
6.2 Ni40.6Fe36.4Ti23合金中三元共晶的定向生长 155
6.2.1 定向凝固组织演化 155
6.2.2 液淬对共晶生长的影响 157
6.2.3 三元共晶的取向关系 158
6.2.4 合金的拉伸性能与断裂机制 160
6.3 Fe66.5Ni17.6Ti15.9包共晶合金的定向凝固组织演变 162
6.3.1 定向凝固组织特征 162
6.3.2 初生(δFe)相的固态相变机制 164
6.3.3 包共晶与两相共晶的形成机理 167
6.3.4 生长速度对凝固组织的影响 171
6.4 Fe66.5Ni17.6Ti15.9包共晶合金的定向凝固与固态相变双联协控 174
6.4.1 双联协控组织演变 174
6.4.2 Fe2Ti析出相分布 175
6.4.3 拉伸性能与强化机制 177
6.5 本章小结 180
参考文献 180
第7章 超常凝固条件下三元Fe-Ni-Ti合金的相变规律 183
7.1 引言 183
7.2 自由落体条件下Ni41Fe40Ti19合金中枝晶与共晶的竞争生长 183
7.2.1 合金液滴的传热与形核动力学 183
7.2.2 微重力凝固组织演变 186
7.2.3 合金的微观力学性能 187
7.2.4 初生(γFe)相的压痕尺寸效应 189
7.3 过冷Ni40.6Fe36.4Ti23合金的快速共晶生长与应用性能 192
7.3.1 相组成与热分析 192
7.3.2 枝晶与共晶生长动力学 194
7.3.3 快速凝固组织演变规律 196
7.3.4 三元共晶的结构特征 200
7.3.5 合金液滴的传热与传质 202
7.3.6 快速凝固合金的服役性能 205
7.4 自由落体条件下Fe66.5Ni17.6Ti15.9合金的包共晶转变机理 210
7.4.1 合金的相组成 210
7.4.2 快速凝固对包共晶转变的抑制作用 212
7.4.3 析出相的结构特征 215
7.4.4 快速凝固合金的抗磨性能 215
7.5 急冷Fe66.5Ni17.6Ti15.9包共晶合金的固态相变调控 217
7.5.1 铜模吸铸的冷却速率 217
7.5.2 合金的微观组织特征 219
7.5.3 初生相的溶质分布与脱溶分解 220
7.5.4 合金的压缩性能 221
7.6 本章小结 222
参考文献 223
第8章 空间环境重构条件下钢铁材料的制备与成形 226
8.1 引言 226
8.2 Ce含量和微重力对13Cr不锈钢制备的作用 227
8.2.1 受Ce含量影响的晶格畸变与夹杂物 227
8.2.2 微重力作用下夹杂物的球化 230
8.2.3 13Cr不锈钢的力学性能 233
8.3 2205双相不锈钢的空间压铸成形 234
8.3.1 双相组织的调控 234
8.3.2 双相组织的取向与织构 237
8.3.3 不锈钢的摩擦磨损性能 240
8.4 本章小结 242
参考文献 243
