在人类历史的长河中，凝固始终引领时代的发展，以至于一些历史时代划分都是按当时所能冶炼的合金命名的。

凝固过程与我们生活诸多方面密不可分，无论是橱窗上结霜，还是在冰盒中制冰，无论是电路板上焊料的固化、还是工业用铝和钢的铸造，都离不开凝固过程。

公元前约4000年~公元前约1200年是青铜时代，那个时代由铜合金制造的武器和生活用具盛行于整个欧亚大陆。

铜器时代的武器（由images.encarta.msn.com授权使用）

然而，自公元前1200年左右，铁合金熔铸技术被掌握后，凭借其优异性能迅速取代铜合金，一跃成为制备武器、礼器和其它生活器具的首选材料。

铁器时代的斧头（由Glenn MeKechnie拍摄, 2005年4月）

不过在古代，一些特殊钢种，如远近闻名且极富传奇色彩的大马士革钢（Damascus steel）是通过机械方法制造的。

1858年，贝西默（Bessemer）转炉炼钢法的问世使得钢水得以大规模生产，并可铸成不同形状铸锭以便后续锻造加工。该方法作为工业革命的重要发明之一，为铁路运输业和后来的汽车工业奠定了基础。同样，诞生于1886年的Hall-Héroult炼铝法使铝合金铸件的大规模生产成为可能，从而促进了20世纪航空工业的蓬勃发展。

掌握金属的冶炼技术使得人们能够顺利调整控制合金成分成为可能，从而得到不同成分的最终合金成品件或者半成品铸锭。半成品铸锭接着在固态条件下又可以被压制成板材、带材或其它锻件。

凝固是上述工业生产过程的关键一环，其决定着零件在后续加工过程中的成分及初始结构。

整个20世纪上半叶，冶金学家一直在探索如何理解铸件性能同凝固工艺之间千丝万缕的联系。

1964年，Chalmers里程碑式著作《凝固原理》的出版标志着凝固艺术与实践走进了工程科技领域。该书提出了描述合金凝固过程中溶质分配的一些基本数学模型，并解释了平界面和球形生长中组织形态（诸如枝晶）的演化机制。

1974年，Flemings的《凝固技术》扩展了上述建模方法，并提出了新模型用以描述微观结构特征的演化，例如枝晶臂间距和偏析形态。该模型首先开始定量研究凝固参数（如冷却速率和温度梯度）以及其同合金固有性质（如凝固区间和基本相图）的交互作用对最终铸件微观结构的影响。

在接下来的十年间，人们在凝固组织花样形成规律，尤其关于枝晶生长尺度方面，取得了许多重要进展。其中尤以1984年Kurz和Fisher合著的《凝固基础》最为出名，该书对合金组织演化过程进行了颇为详尽的描述。

2009年，J. A. Dantzig 和M. Rappaz合著《凝固》（Solidification，一下简称“《凝固》”）是上述研究发展的延续。自从Kurz和Fisher的专著出版后，大规模计算被引入到凝固研究中，极大地促进了凝固理论及其应用方面的发展。相场方法的发展可以用来更深入地理解复杂凝固组织的演化。同时，低成本大规模计算机和商用软件包的广泛应用允许人们直接对宏观热传输、溶质传输以及实际形状中流体流动进行实际模拟。体积平均理论和微观结构统计学表征则在微观和宏观尺度间架起了桥梁。

其间有大量关于凝固的专业书籍出版,但遗憾的是,没有一本能够系统阐述凝固中基础理论、解析模型和计算方法的书籍。《凝固》的目标就是将这些早期著作中的模型以及最新发展的模型进行整合：以基本概念为基础，逐步引入重点内容，即解析模型和数值模型的实际应用。

《凝固》以不同空间和时间尺度范围内所涉及的各种凝固现象为主线。在宏观长度尺度上，几何形状及加工条件决定了不同位置的凝固过程。

不同长度和时间尺度所涉及的不同凝固现象示意图  该图以六缸发动机缸体为例，零件的长度大约1m，凝固时间长达30min。采用有限元方法对热传输过程进行数值模拟，如图中所示，可得到特定时刻铸件中的温度分布。

微观组织的研究大概在1μm~1mm这一较小长度尺度范围内。图中也显示了从初始平界面向液相生长的一排枝晶。由于微观尺度上存在化学偏析，因此可以直接观察到枝晶。当凝固过程存在液体流动，溶质原子的输运距离将大于局域微观尺度，造成宏观偏析。

在原子至纳米长度尺度上发生的一些过程对于凝固现象同样重要。因为固/液界面的性质以及原子附着的方式同样可以影响到晶体的生长模式。例如表面能的各向异性在很大程度上决定着微观尺度上所观察到的枝晶形貌。

《凝固》由译者团队耗费两年半时间翻译完成，是凝固理论技术方面的代表性著作。系统地阐述了凝固中的理论、模型和计算方法。全书主要分为三个部分:第一部分为理论基础和宏观现象，包括溶体的热力学理论、平衡相图、传输现象以及液固相变中一些重要问题。第二部分运用形核、枝晶生长、微观偏析、共晶/包晶凝固、组织形成竞争等基本概念对凝固微观组织进行描述，重点讨论组织形成过程中宏观、微观现象的耦合。这三部分讨论凝固过程中形成的缺陷，重点介绍空位、热裂和宏观偏析。

本文由刘四旦摘编自[美]J. A. Dantzig 和[瑞士]M. Rappaz著，刘峰、介万奇译《凝固》（Solidification）一书。

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