几种常见的合金设计方法及其在铝合金设计中的应用.pdf

. 几种常见的合金设计方法及其 在铝合金设计中的应用 1. 现代合金设计简介 1.1 合金设计概述 材料设计的设想始于 20世纪 50年代， 前苏联科学家进行了初期的研究， 在理论上提出了 人工半导体超晶格的概念。到 1985年，日本学者山岛良绩正式提出了“材料设计学” 这一 专门的研究方向， 将材料设计定义为利用现有的材料、 科学知识和实践经验， 通过分析和综 合，创造出满足特殊要求的新材料的一种活动过程， 其目的是改进已有的材料和创造新材料。 现在材料设计已基本上形成一套特殊的方法， 就是根据性能要求确定设计目标， 有效地利用 现有资源，通过成份、结构、组织、合成和工艺过程的合理设计来制造材料。其中，关键是 材料的成份、结构和组织的设计 [1] 。 合金设计的概念和方法是当材料科学深人到原子的电子结构层次之后。 在科学文献中才 明确提出。合金设计是国外 70年代发展起来的一门新兴的交叉学科。现今，根据科学理论， 由人们能动地设计出具有预想性能的材料的所谓 “材料设计” 已经逐步兴起， 在金属材料中 “合金设计” 这一科学方法， 更为广大冶金工作者所广泛采用。 这一方法必将逐步代替传统 的、耗时费事的试探筛选方法。 由于在金属与合金设计中成分参数与组织参数不易控制， 合 金性能的推断也有一定困难， 所以完善的金属与合金设计有待于材料科学与工程的进一步的 发展。 1.2 合金设计的依据 合金设计是一门总和学科， 它必须依据几个方面来总和考虑， 包括： 我们要充分了解合 金在服役条件下的使用性能 (如机械性能，物理性能 )；要了解合金从生产到制成产品的工艺 过程 (如铸造，锻造，焊接，切削加工等 ) ；还需要考虑一些重要的经济因素 (如原料，价格， 市场等 )。由此可见，合金设计是通过合金成分和组织的严格控制与合理配合而获得预期的 性能，它是建立在合金成分—组织—性能—工艺的定量关系基础上的综合结果。 2. 几种合金设计的方法 合金设计应包括成分设计、宏观加工和对显微组织的设计，也包括了对合金性能的预 测。 Yukawa 和 Morinaga 等人利用变分原子簇法计算一些金属间化合物和合金的电子结构， 计算出其轨道能级和键级， 并将其应用于合金设计。 此外， 利用热力学的特征数据也可进行 合金相的设计、 计算合金的相图， 也可根据振动自由能通过从头计算来预测合金相图。 还可 利用模糊分析方法来实现复相材料的设计，即通过确定复相材料组织参量对性能的隶属函 数，并运用模糊线性加权变换来完成对性能的分析与评判。 2.1 经验法和半经验法 长期以来， 合金研究通常采用配方法来进行， 即根据大量的实验数据对成分—组织—性 . . 能反复调整、试验，直到获得满意的合金为止。这种方法具有相当大的盲目性，费时、费 力、经济损失大，已远远不能满足现代科技和社会的发展要求。 半经验法的基本原理是从已有的大量数据和经验事实出发， 将合金的性能、 组分等数据 存放在数据库中， 利用一些数字计算来完成对合金的设计。 常用的数学计算方法