相图与材料设计课件.ppt

相图与材料设计 刘立斌 lbliu@mail.csu.edu.cn 前言 什么是相图？ 相图表示在一定条件下，处于热力学平衡状态的物质系统中平衡相之间关系的图形。又称为平衡图、组成图或状态图。相图中的每一点都反映一定条件下，某一成分的材料平衡状态下由什么样的相组成，各相的成分与含量。 什么是材料设计？ 材料设计就是借助计算机技术应用充分运用现有的材料学科及其相邻学科如：物理、化学、力学、生物等的理论知识，通过设计合适的材料成分、合适的加工工艺达到控制材料内部组织，最终获得预知的材料性能的过程。 马氏体不锈钢的设计Computational design of hierarchically structured materials，G B OlsonScience; Aug 29, 1997; 277, 5330; p. 1237 本课程目标与参考书 目标 在金属学的基础上进一步介绍，相图在材料科学中的地位，相图原理，相图的测量与计算方法，正确绘制相图的一些基本规则，　提高同学们对相图的认识程度。 介绍相图在材料设计与研究中应用的实际例子。达到开阔视野的目的。 参考书 相理论，　H.A.J.Onk, 合金扩散与热力学，Mats Hillert 材料热力学，　徐祖耀，李麟 材料科学导论，　第１６章，第２４章，　冯端，师昌绪，刘治国主编，　化学工业出版社 CALPHAD, Journal of Phase Equilibrium, Metall. Mater. Trans. Part 1 相图研究的发展史 Fe-C 相图发展史金相学史话(3)：Fe-C 平衡图， 郭可信材料科学与工程 第19卷第2期(2001) (中国科学院物理研究所北京电子显微镜实验室, 北京2724 信箱, 100080) Fe-C 平衡图是研究钢铁的金相组织与制定热处理制度的依据。金相学的兴起是从研究钢铁的显微组织开始的,从Fe-C 平衡图的发展过程可以了解金相学的早期发展史。Fe-C 平衡图是第一个用相律为指南制定的合金平衡图,在这之后相律的重要意义就为冶金学家普遍接受。还有就是Fe-C 平衡图比较复杂,除了有共晶、包晶、共析等反应外,C 还可以以平衡态(石墨) 与亚平衡态(Fe3C) 两种方式存在。从Fe-C 平衡图的形成与逐渐完善我们可以看到这个认识全过程是怎么完成的,加深对第一代、第二代金属材料学家的思维发展的了解,和对相图在材料科学中作用的了解。 Чернов测定的钢的临界点(1889) Чернов 1868 年在一个制造火炮及炮弹的兵工厂中工作,从炮管的锻造、淬火、回火、断口检验等大量生产实践中,他总结出钢一定要加热到某一温度a 以上才能在淬火急冷后硬化,在这个温度以下淬火,钢不但不硬化反而变软。显然,加热温度是钢的淬火的成败关键。他还发现,随着钢中碳含量的变化,这个临界点范围也有所变化。在高碳工具钢中,它是700～750 ℃;碳含量降低,临界点a有所升高。用现代的热处理术语,前者相当于Ac1 ,后得相当于Ac3 。Чернов对于钢的淬火研究是相当全面的,他不仅发现临界点a ,还有临界点d (图1) 。对于0.8 %C的钢而言,d 点在200 ℃。他在1885 年在俄国工程师学会上的一篇报告中指出, “钢在淬火中需要急冷到的温度也有一定数值———200 ℃”。后来他用d 表示这一温度,这实际上就是我们今天使用的马氏体相变的起始温度Ms 。 除了这些临界点外, Чернов还测量了淬火速度的要求。他把钢做成圆筒状的杯,加热后淬火时使钢杯露出水面,观察钢杯中熔融状态的锡的凝固时间。锡的熔点约为230 ℃,与钢必须急冷到的200 ℃相近。Чернов发现只有当凝固时间不超过45 秒时,钢才能完全淬透,因此淬火操作中几秒钟的延误就会产生次品或废品。 在这之前钢的热处理多多少少还是一种富有神秘色彩的技艺,要从多年的实践中慢慢体会出其中奥妙。Чернов的试验与观察首先使它条理化,逐渐发展成为热处理这门学科。他的试验方法及所用的手段现在看起来是相当原始的,温度主要是靠肉眼观察,硬度靠钢锉或玻璃的划痕,他的结论又是在对钢的内部显微组织毫无所知的情况下得出的,这不能不说是一件伟大的创举。 Sauveur 的Fe-C 临界图 （1896） 在1887 到1896 这十年里,临界点的测量工作风行一时,可谓风起云涌。Le Chatelier 在1888 年发明了铂- 铂铑热电偶,使临界点及其它高温测量的精度有了明显的提高。Sauveur 在1896 年把Osmond , Howe , Roberts-Austen ,Arnold 和他本人的数据收集在一起,画在温度为纵坐标、碳含量为横坐标的图上。形成了平衡相图的雏形． Roberts-Aus