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相图在材料设计中的应用

当今世界，对材料的需求以及要求从未间断。很明显，工业越发达，对材料的要求越高。更高端的产业，对材料的要求自然也更加苛刻。像我们应用在航空航天方面的材料，要求更是极端苛刻的。

但是在人类历史上，材料的研究与开发，特别是新金属材料我国大量推行使用聚苯乙烯保温材料以千万乃至亿数量级平方米单位计算的创造与发明一直是沿用了尝试法(Trial and error ) 的模式。经过反复的实验摸索，才能探索到一种新的或更好的材料成分。在20 世纪的60 年代初，一种相计算( PHACOMP) 技术在Ni 基高温合金成分设计上的应用终于揭开了合金设计的序幕。其实,那原平仍是一种依赖于经验的相平衡成分的计算。 但是Ni 基高温合金的PHACOMP 设计至少告诉我们， 多元合金相图中的信息对于合金设计来说是非常重要的。其后在70 年代出现的相图计算(CALPHAD) 已经是在追求应用普适性热力学模型来计算多元系的相平衡了，虽然这种计算仍依赖于由实验获得的热力学参数，但已可以说，相平衡成分的获得过程已达到了真正意义上的理性阶段。当前，人们对于实测相图在合金研究特别是合金设计上的重要性是有足够的认识的；但是，只有在能够通过热力学计算来获得相图之后，相平衡研究才真正成为了材料设计的一部分。

材料设计中的计算机相图计算

材料设计无论是第一原理的, 还是依赖实验结果的都是一种人工智能工程。很显然, 合金设计的过程首先是确定多相相平衡成分的过程。具有这种功能的相平衡计算程序系统的开发是国际性的, 目前, 许多国家已经开发了多种这样的系统. 如美国的NBS/ ASM、ManLabs 数据库, 加可做下1次实验拿大的FACT数据库, 欧洲的SGTE 数据库和瑞典的THERMO - CALC 相平衡计算与数据库，英国的Thermotech，在美国还有独立开发的PANDAT 相图计算与数据库系统, 也有很好的应用实绩。所有这些系统都是依赖通过各种渠道所获得的热力学参数的, 因此评价或评估热力学参数也同样是这些程序系统的重要功能. 由于热力学参数的重要性, 除了特别的需要之外, 人们不再热又足够轻巧衷于创建新的计算方法。而更重视在CALPHAD的普遍模式下, 积累更丰富的热力学数据 。

从20 世纪90 年代起美国威斯康星大学Chang A Y(张永山) 教授为首的研究组注意到了若干相图计算软件(如Lukas 程序) 基于局部平衡算法(local minimization algorithm) ,而且使用者需要专门的技巧和输入设定的初值,不仅不便使用而且难以完全避免局部平衡的出现,使计算失真。为此陈双林、Chang A Y等充分讨论了稳定相平衡计算的重要性。在此基础上1996 年Chang A Y创建了CompuTherm LLC公司致力于运用C++语言研究Windows界面的新一代多元相图计算软件Pandat，是专门为工业、研究及教育用户提供功能强大和简单易学的相图与热力学计算软件。其核心是PanEngine-Pandat的计算引擎,具有系统信息管理和热力学与相平衡计算的功能。Pandat软件包的最大优点是即使自由能函数在一定成分范围内具有多个最低点的情况下,未必具有相图计算专业知识和计算技巧的使用者也能无需设定计算初值使用Pandat软件自动搜索多元多相体系的稳定平衡。最近美国的Chang A Y,Chen S L和日本的K. Ishida ,Liu X J (刘兴军) 将Pandat相图计算软件和无铅钎料合金数据库(包括Pb ,Bi ,Sn ,Sb ,Cu ,A核相仪g ,Zn , In 等元素) 相结合联合开发了无铅钎料合金相图计算软件,为材料工作者设计无铅钎料合金提供了有效而方便的工具。

合金设计实践中相图的应用

铸造Al-Si系合金由于其密度小、比强度高同时兼有良好的铸造工艺性能、力学性能和机械加工性能在航空、航天、汽车、机械等行业得到了广泛应用。Cu、Mg是铸造Al-Si合金中两种重要的强化元素。铸造Al-Si合金中加入Cu和Mg，通过合适的热处理，可大幅度提高合金的综合力学性能。在合金进行热处理时固溶温度的选择与控制是合金固溶处理的关键因素对合金的力学性能影响较大。目前对Al-Si-Cu-Mg合金的固溶处理温度，国内一般选择在520 ℃左右，也有490~520 ℃分三级固溶的方式，国外一般选择在500 ℃左右。固溶温度过高会使富铜相熔化，温度过低使得合金中第二相的溶解度下降，固溶时间过长。因此固溶处理阶段，选择合适的温度是十分重要的。

示差热（DSC） 分析是一种重要的分析材料相变温度、潜热和比热容等参数的方法，近年来，被广泛应用于合金相变过程的分析，如Al-Si-Cu-Mg合金中Al2Cu的溶解等。为了得到直观准确的结果，应选择合适的加热速率，过高的加热速率会使DSC峰值重叠影响测定的准确性；过低的加热速率会导致合金中部分金属间化合物的溶解。本文通过相图计算和示差热（DSC） 分析对Al-7Si-2.5Cu-0.5Mg合金的固溶处理温度进行研究，为Al-Si-Cu-Mg系合金的固溶处理温度以及固溶方式的选择提供参考和帮助。

1 试验材料和试验方法

试验原料分别为工业纯铝、结晶硅、纯镁及Al-50Cu中间合金等。使用石墨坩埚在SG-型15 kW电阻炉中进行熔炼，浇注金属型试样。用ICP-AES等离子感应耦合分析仪对试验合金的化学成分进行分析，结果为90%Al-7.0%Si-2.5%Cu-0.5%Mg （质量分数，下同）。将Φ18 mm×120 mm金属型试棒加工成Φ18 mm×20 mm小试样，分别选取490 ℃、500 ℃，在15 kW井式电阻炉中进行保温不同时间（0 h、0.5 h、1 h、2 h、3 h、4 h、5 h），60~80 ℃淬火的固溶处理。再将淬火处理后的试样加工成Φ4 mm×0.5 mm （15 mg左右） 试样，用Nicon300型光学显微镜观察铸态及不同固溶处理态金相组织，并用METTLER-DSC823e型差热分析仪在氩气保护下测定相变温度，用Origin软件进行数据处理。测定温度范围为25~ 650 ℃ ， 升温速度为10 ℃ /min，650~450 ℃降温速度为0.5 ℃/min。采用Pandat多元合金相图计算软件计算Al-7Si-xCu-0.5Mg四元合金平衡相图，并与DSC试验和显微组织结果进行比较分析。

2 试验结果及分析