Instabilities and Self-Organization in Materials

Instabilities and Self-Organization in Materials pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Oxford University Press, USA
作者:Nasr Ghoniem
出品人:
页数:1040
译者:
出版时间:2008-4-15
价格:USD 250.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9780199298686
丛书系列:
图书标签:
  • 材料科学
  • 自组织
  • 不稳定性
  • 相变
  • 动力学
  • 非平衡态
  • 复杂系统
  • 模式形成
  • 材料物理
  • 凝聚态物理
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具体描述

In materials, critical phenomena such as phase transitions, plastic deformation and fracture are intimately related to self-organization. Understanding the origin of spatio-temporal order in systems far from thermal equilibrium and the selection mechanisms of spatial structures and their symmetries is a major theme of present day research on the structure of continuous matter. Furthermore, the development of methods for producing spatially-ordered and self-assembled microstructure in solids by non-equilibrium methods opens the door to many technological applications. There is an increasing demand for a better understanding of new materials from a more fundamental point of view. In order to describe and understand the behavior of such materials, dynamical concepts related to non-equilibrium phenomena, irreversible thermodynamics, nonlinear dynamics, and bifurcation theory, are required. The generic presence of defects and their crucial influence on pattern formation and critical phenomena in extended systems is now well-established. Similar to observations in hydrodynamical, liquid crystal, and laser systems, defects in materials have a profound effect.We found it thus timely to develop a unified presentation of tools, concepts, and methods that are useful to material scientists and engineers. Although specialized treatments of various topics covered in this book are available, we feel that a comprehensive approach may give the reader a higher vantage point. Hence, emphasis is placed on combining the basic physical, mathematical and computational aspects with technological applications within the material's life-cycle, from processing, degradation to eventual failure. The book is divided into two volumes. The first volume is devoted to the most basic concepts of the physics, mechanics and mathematical theory utilized in the analysis of non-equilibrium materials. The reader is exposed to a rigorous background on material deformation, defect theory, transport processes, and the statistical mechanics and thermodynamics of phase transitions. Mathematical concepts of non-linear dynamics, such as bifurcation and instability theory, the dynamics of complex systems near pattern forming instabilities, the generic aspects of pattern formation, selection and stability are presented.Stochastic and numerical methods used in this field are also introduced. The methods and techniques developed in the first volume are applied in the second volume to specific problems in various advanced technologies. These applications include plastic and fracture instabilities, interfacial morphological instabilities in solidification, crystal growth, electro-deposition, surface instabilities in laser, plasma and chemical vapor processing, and material aging instabilities under irradiation and chemical corrosion attack.

好的,以下是针对一本名为《材料中的不稳定性与自组织》的图书的详细简介,内容将聚焦于该领域内与该书名主题无关但同样重要的材料科学分支,确保内容详实且自然流畅。 --- 凝固与界面科学:熔体流动、晶化动力学及材料性能的精准调控 一部深入探索宏观结构演变与微观界面行为的综合性著作 本书旨在为材料科学家、冶金工程师以及致力于先进材料设计与制造的研发人员,提供一个关于凝固过程、固-液界面行为、以及由此引发的宏观材料结构形成与性能关联的权威性综述与深入分析。我们完全避开涉及“不稳定性”和“自组织”这类非平衡态热力学特有现象的讨论,而将焦点完全集中在经典凝固理论、相场方法在界面动力学中的应用、以及特定工程材料体系的微观结构控制上。 第一部分:凝固过程的宏观热-质迁移(Heat and Mass Transfer in Solidification) 本部分奠定了理解所有晶体材料凝固行为的物理基础。它不再关注系统如何自发地产生复杂结构,而是严格遵循经典传热学和流体力学原理,分析固化过程中能量和组分传输的速率限制。 第一章:传热动力学与冷却速率的量化 详细考察了铸造、增材制造(如选区激光熔化SLM中的局部冷却)等工艺中,固液界面推进速度与外部冷却条件之间的定量关系。内容涵盖: 界面能与热扩散: 讨论了傅里叶定律在描述熔体/固相界面热交换中的应用局限与修正。引入了热扩散长度尺度在预测晶粒尺寸中的作用。 温度梯度与过冷度的耦合: 严格分析了宏观温度梯度 ($G$) 如何影响界面处的有效过冷度 ($Delta T_{eff}$),并探讨了在不同冷却速率下,纯金属和二元合金体系中固相分数 ($f_s$) 随时间的变化曲线。 铸造缺陷的传统归因: 基于传热模型,系统性地解释了缩孔、气孔(因溶解度变化导致的)等宏观缺陷的形成机制,强调这是传热不足或熔体补给中断的直接结果,而非系统内在的复杂演化。 第二章:熔体流动与溶质偏析的数值模拟 本章重点关注熔体流动对溶质重新分配的影响,特别是与宏观组织形成之间的关联。 Navier-Stokes方程在液相中的应用: 详细阐述了如何将自然对流(热浮力)和机械扰动(如电磁搅拌)引入到液相的流动求解中。讨论了湍流模型(如 $k-epsilon$ 模型)在预测宏观液相混匀性方面的应用。 溶质捕获与偏析(Segregation): 深入分析了根据 Flemings方程 和 Lever Rule 预测的理论偏析程度,并将其与实际铸件中观察到的宏观化学成分梯度进行对比。重点探讨了在快速凝固条件下,液/固界面附近的溶质浓度边界层效应。 数值方法基础: 介绍了有限体积法(FVM)在求解耦合传热、流动和溶质传输问题的标准流程,强调计算网格划分对界面附近梯度预测精度的敏感性。 第二部分:界面动力学与晶体形貌的经典控制 本部分将研究固-液界面如何受控于局部热力学和动力学参数,并解释如何通过外部干预来设计所需的晶体结构(如柱状晶、等轴晶)。 第三章:界面能与形貌选择的经典热力学 聚焦于界面能对宏观晶体形貌的决定性影响,完全避免涉及非线性动力学方程。 晶体学与界面能张量: 讨论了不同晶面(如立方晶系中的 ${100}, {110}$ 面)的表面能差异 ($gamma$),以及如何利用这些差异来预测宏观晶粒的生长优势方向。 临界成核理论(Classical Nucleation Theory, CNT): 详述了异质成核的经典模型,包括临界形核尺寸 ($r^$)、形核激活能 ($Delta G^$),以及衬底与液滴之间的润湿角 ($ heta$) 对异质成核效率的调控。 柱状晶的形成条件: 基于 Constitutive Undercooling Criterion (CUC),精确计算了维持稳定柱状晶生长所需的最小温度梯度与最大生长速率的比例关系,这是金属凝固学中的核心工程判据。 第四章:利用外场调控晶体取向与晶粒尺寸 本章探讨了工程手段如何直接、线性地影响晶体生长过程,实现材料性能的工程化目标。 晶粒细化技术: 详细介绍钛、铝等合金中,通过添加细化剂(Grain Refiners)(如Al-Ti-B合金)实现异质成核密度提升的机理。分析了细化剂颗粒在液相中的分布均匀性与最终晶粒尺寸的统计关系。 电磁场与声场辅助凝固: 探讨了利用电磁场(EMF)诱导的洛伦兹力或声波诱导的流动如何均匀化熔体中的溶质分布,从而抑制宏观偏析,并促进等轴晶向柱状晶的过渡(通过破坏局部不均匀的液相区)。 定向凝固工艺: 深入分析了如何精确控制炉体拉速和温度场,以制造出具有单一晶向或特定梯度结构的高性能定向凝固叶片或涡轮盘材料。 第三部分:工程材料体系中的凝固行为案例研究 本部分将理论框架应用于具体的工业材料,分析其固有的凝固特性如何决定最终的机械、电学或热学性能。 第五章:高温合金与增材制造的凝固基础 聚焦于现代先进材料在极端制造条件下的界面行为。 高温镍基单晶(SX)的界面生长: 讨论了如何通过精确控制冷却速率和熔池形状,实现合金成分在界面上的稳定停留,从而避免二次相的析出,保障高温蠕变性能。分析了界面能的各向异性对[001]生长方向的偏好性。 增材制造中的快速凝固特征: 侧重于高冷却速率($10^3$ K/s 以上)下,材料界面如何表现出非平衡态的溶质分配,但这仍是基于经典动力学模型对热扩散时间尺度的重新估计。分析了快速凝固引起的微观纹理(Wall-like structures)的形成,这些结构是熔池边界移动的直接“快照”。 凝固组织与疲劳寿命的线性关联: 通过大量实验数据,建立凝固晶粒尺寸与低周疲劳(LCF)裂纹萌生位置之间的统计联系,强调结构控制是提升服役寿命的关键。 第六章:半导体材料与界面控制 探讨在对纯度要求极高的半导体材料(如硅、砷化镓)中,如何通过先进的提拉/坩埚下降技术来控制晶体质量。 Czochralski (CZ) 法的流体力学与缺陷控制: 详细分析了在CZ提拉过程中,通过改变旋转速率和提拉速度,如何精确控制固液界面形状,进而影响氧、碳等杂质的均匀性分布,这是影响晶圆电学性能的决定性因素。 区熔法(Zone Melting)的纯化效率: 运用经典的溶质分配系数 ($k$) 概念,建立区熔法对杂质进行渐进分离的数学模型,并评估其在实现超高纯度材料方面的潜力与局限。 --- 本书提供了一个坚实的、基于热力学和经典动力学的框架,用于理解和控制材料的凝固过程,强调结构与性能之间的可预测的、线性的工程关联,是材料加工与制造领域不可或缺的工具书。

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