thermocalc软件在材料热力学动力学研究中的应用实例
1.2344热冲压模具钢性能研究及失效分析
1.2344热冲压模具钢性能研究及失效分析冯萧萧;苏钰;胡洋阳;崔浩田;雷佳乐【摘要】对1.2344热冲压模具钢失效前后组织性能进行研究.通过金相显微镜、X 线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对热冲压模具钢的组织进行观察和分析,并测试硬度、摩擦磨损、冲击韧性等性能,分析1.2344热冲压模具钢的组织性能特点和失效原因.利用Thermo-Calc软件进行热力学分析,得出1.2344热冲压模具钢硬度高、韧性较低及引起失效的原因主要是碳化物分布不均匀.【期刊名称】《上海工程技术大学学报》【年(卷),期】2017(031)004【总页数】5页(P302-306)【关键词】1.2344热冲压模具钢;组织性能;热力学分析【作者】冯萧萧;苏钰;胡洋阳;崔浩田;雷佳乐【作者单位】上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;重庆优特模具有限公司,重庆401329【正文语种】中文【中图分类】TG115热冲压成形工艺伴随着汽车轻量化而出现,广泛用于超高强度钢的冲压生产.热冲压模具的工况比较复杂,其对热冲压模具材料的硬度、热导率、热强度、冲击韧性、热稳定性和抗冷热疲劳性能等有较高需求.热冲压模具的工作环境十分恶劣,常常受到剧烈摩擦和周期性的加热—冷却循环,容易产生疲劳裂纹,导致模具失效,因此,磨损和疲劳破坏是主要的失效形式.防止模具失效,提高模具使用寿命是当前研究的重点[1].1.2344钢为耐压热作模具钢.该钢经电渣重熔,材质均匀,淬透性良好,优良的耐高温强度、耐热疲劳性，高低温耐磨性、韧性和延展性,稳定且优良的机械加工性,很小的热处理尺寸变形.目前,我国中低档模具较多,要求较高的零件还是依赖进口.对延展性有要求的压铸模一般选用1.2344钢.1 试验过程1.1 试样1.2344钢是德国工业标准(DIN)中的热作模具钢,其化学成分与美国材料试验标准(ASTM)中的H13钢较为接近,冲击韧性比H13钢高[2].本试验采用的钢均为1.2344钢,分为两组：一组为失效前的,命名为1.2344;另一组为失效后的,命名为S-1.2344.对两组钢进行对比试验，通过金相显微镜、X线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)观察组织,分析失效原因;并通过测试硬度、摩擦磨损、冲击韧性等性能总结1.2344钢的性能特点.1.2344钢的化学成分(质量分数ω，%)见表1，热处理工艺如图1所示.表1 1.2344钢化学成分Table 1 Chemical compositions of 1.2344 steel %样品CSiMnCrMoVFe1．2344钢0．920．410．324．373．340．40余量图1 1.2344钢热处理工艺Fig.1 Heat treatment process of 1.2344 steel1.2 试验过程依据国家标准GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行冲击韧性试验,使用S-3400N型扫描电子显微镜观察断口形貌.将试样预磨和抛光,用8%的硝酸酒精分别腐蚀,未失效的1.2344钢腐蚀时间长,约60 s,失效后的1.2344钢腐蚀时间较短,约35 s.在Cloos Romat 350的4XCJZ三目倒置金相显微镜下观察晶粒晶界.用维氏硬度计测量硬度,选择载荷200g(g为重力加速度),保压时间15 s.使用PANalytical X’Pert PRO X线衍射仪分析样品的晶体结构，设置扫描角度为20°～90°,扫描速度为1°/min.最后使用HT-600型高温摩擦磨损仪对1.2344钢试样进行干摩擦条件下的常温磨损试验,试验条件为:载荷1 150g,时间45 min,对磨材料为Si3N4陶瓷球,电机频率10 Hz,摩擦半径2 mm.磨损前后称重,计算质量差.利用Thermo-Calc热力学软件进行热力学分析,绘制模具钢相图,分析不同温度下模具钢的相.2 结果与分析2.1 夹杂物和金相分析1.2344钢失效前后的夹杂物分布如图2所示，金相组织如图3所示.图2 1.2344 钢失效前后夹杂物分布图Fig.2 Inclusion distribution maps of 1.2344 and S-1.2344 steels图3 1.2344 钢失效前后金相组织图Fig.3 Metallographic structure maps of 1.2344 and S-1.2344 steels从图2、3可以看出,失效前1.2344钢中有大块夹杂物；失效后1.2344钢有大块碳化物且分布不均匀.由于模具钢一般含有高碳、高合金元素,碳化物对模具钢的性能有重要影响：尺寸细小并且分布均匀的碳化物可以提高模具钢的强度、硬度、耐磨性、耐热性等；但粗大、分布不均匀、偏析、带状、网状或者过剩碳化物会降低模具钢性能,容易造成早期失效[3].图中还可以看出,1.2344钢失效的主要原因是碳化物分布不均匀，一方面1.2344钢合金元素较多,且钢坯中存在较多非金属夹杂物,导致碳化物分布不均匀,往往需要进行锻造击碎较大非金属碳化物,均匀组织；另一方面若锻造不充分,会使钢在热处理后仍存在碳化物不均匀现象；此外，在热处理过程中也会形成多种碳化物,由于不同温度下碳化物溶解度不同,在热处理过程中钢的冷却速度过快导致碳化物不能充分扩散、分布不均匀.1.2344钢属于H13系列模具钢.H13钢中的碳化物大多数是M23C6型铬(Cr)的碳化物,还有少量的M7C3和MC型钼(Mo)和钒(V)的碳化物[4].共晶碳化物主要是富含V的MC 型碳化物，图4为1.2344钢的X线衍射图谱.由图4可以看出,1.2344钢中的碳化物有M23C6型、M7C3型和MC 型.图4 1.2344钢XRD谱图Fig.4 XRD spectrum of 1.2344 steel2.2 断口形貌分析1.2344钢失效前后断口扫描电子显微镜图如图5所示.图中显示出不同倍数下的断口形貌.从SEM图可以看出，图5(a)有一些解理面,还有一些撕裂棱,有少量韧窝；图5(b)中有河流花样,可以判断1.2344钢属于脆性断裂[5]；图5(c)为放大200倍的S-1.2344钢的宏观断口形貌,有许多小平面;图5(d)为放大1 000倍的S-1.2344钢的微观断口形貌,有较多撕裂棱,说明1.2344钢失效后,脆性断裂更加明显.2.3 相图利用Thermo-Calc热力学软件进行热力学分析,得到1.2344钢随温度变化出现的不同物相,如图6所示.1.2344钢的碳含量为0.92%,由图6看出,在740～760 ℃,碳化物为M7C3;在760～770 ℃,碳化物为MC;在770～800 ℃,碳化物为M23C6.与 XRD图谱结果相吻合.820 ℃以上为体心立方BCC相,820 ℃以下为面心立方FCC相.2.4 冲击韧性和硬度将失效前后试样的冲击吸收能量和硬度值置于同一个图表中,结果如图7所示.由图7可看出,1.2344模具钢失效后,韧性由4.85 J下降到1.93 J,维氏硬度(HV)由554.46下降到465.12.Cr的含量(质量分数，全文同)约为5.0%,具有较高的淬透性，在钢中一部分起到固溶强化的作用,一部分与碳形成碳化物如(FeCr)3C和(FeCr)7C3[6].Mo是强碳化物形成元素,与碳形成Mo2C,细小弥散,溶解度高,可细化奥氏体晶粒,产生二次硬化[7-8].Mo的含量达到3.0%时,二次硬化效果最好.1.2344钢的Cr含量为4.37%,Mo 含量为3.34%,有利于钢的淬透性.因此,相对于韧性的下降程度,硬度下降程度较小.模具钢工作环境较恶劣,工作温度较高,会使模具钢发生回火,淬火马氏体的饱和度下降,硬度随之下降.图5 1.2344钢失效前后断口SEM图Fig.5 Fracture morphologies of 1.2344 and S-1.2344 steels图6 1.2344钢相图Fig.6 Phase diagram of 1.2344 steel2.5 磨损性能磨损前后样品质量的变化见表2.表中数据显示,1.2344钢经过45 min摩擦磨损,减少质量为0.004 8 g.V是强碳化物形成元素,能与碳形成碳化物,与氮形成氮化物,还能形成碳氮化物,主要形成VC.VC硬度高、熔点高,淬火时难溶于基体中,阻碍位错运动,细化晶粒,提高耐磨性.一般情况下,V的含量为0.5%可以明显地起到细化晶粒的作用.V含量过多会降低冲击韧性,本次试验中1.2344钢的V含量为0.4%,若需提高耐磨性,应该适当提高V的含量.图7 1.2344钢失效前后冲击吸收能和维氏硬度Fig.7 Vickers hardness and impact absorptionenergy of 1.2344 and S-1.2344 steels表2 磨损前后样品质量的变化Table 2 Change of sample quality before and after wear样品磨损时间/min载荷磨损前质量/g磨损后质量/g质量差/g1．2344钢451150g19．939219．93440．00483 结语1.2344热冲压模具钢硬度高,韧性低,由于碳化物分布不均匀产生失效.失效后韧性急剧下降,断裂形式为脆性断裂.1.2344钢化学组成中Cr含量为4.37%,Mo含量为3.34%,有利于钢的淬透性.V含量0.4%相对较少,为了提高耐磨性,应增加V的含量. 参考文献:[1] 张青青.H13热作模具钢的热处理工艺研究[J].铸造技术,2015,36(1):105-108.[2] 牟风,王琳,燕云,等.高性能热作模具钢1.2344EFS电炉冶炼工艺的研究[C]//第十七届全国炼钢学术会议论文集(A卷).杭州:中国金属学会,2013.[3] 陈再良,吕东显,付海峰.模具使用寿命与失效分析中一些问题的探讨[J].理化检验：物理分册,2009,45(9):553-558.[4] 刘笑莲.高品质热作模具钢 SWPH13 的性能研究[J].热处理,2006,21(2):31-35.[5] 王立民,彭梦都,刘正东,等.热处理工艺对 45CrMoV 钢组织和冲击韧性的影响[J].材料热处理学报,2015,36(2):166-170.[6] 吴晓峰,马坤,徐娜,等.Cr12MoV 模具钢应用的主要问题与热处理研究进展[J].模具工业,2009,35(9):55-62.[7] 陈英伟,吴晓春.热作模具钢1.2367的性能研究[J].上海金属,2009,31(6):1-5.[8] ZHOU J,MA D S,CHI H X,et al.Microstructure and properties of hot working die steel H13MOD[J].Journal of Iron and SteelResearch,International，2013,20(9):117-125.。
Thermo-calc软件-TCCP用户指南 重要要点
Thermo-Calc®User’s GuideVersion PThermo-Calc Software ABStockholm Technology ParkBjörnnäsvägen 21SE-113 47 Stockholm, SwedenCopyright © 1995-2003 Foundation of Computational ThermodynamicsStockholm, Sweden第1部分一般介绍1.1 计算热力学在近十年内与材料科学与工程相联系的计算机计算与模拟的研究与发展已经为定量设计各种材料产生了革命性的方法，热力学与动力学模型的广泛结合使预测材料成分、各种加工后的结构和性能。
产品开发与工程控制的数学模型的重要性已经证明对热力学计算和动力学模拟的高需求，先进材料的现代定量计算设计已从计算热力学与动力学中得到了惊人的益处。
用Thermo-Calc进行的热力学计算和用DICTRA进行的动力学模拟可戏剧性地加强制造过程的设计能力、热处理温度的选择能力、过程收益的优化能力等，这些易于理解的软件/数据库/界面包已经在世界范围内证明是最有力和最有柔性的排除昂贵和费时的实验、改进质量性能和控制环境影响的工程工具。
1.2 Thermo-Calc软件/数据库/界面包Thermo-Calc是所有各种热力学和相图计算的通用和柔性的软件包，是建立于强大的Gibbs能最小化基础之上的。
它是多于30年和100人年的劳动以及很多各种项目的国际合作的结果。
Thermo-Calc软件可使用多种热力学数据库，特别是热力学数据库的国际合作组织Scientific Group Thermodata Europe(SGTE)开发的数据库。
TCC(传统的Thermo-Calc)和其姊妹软件DICTRA（扩散控制相转变）已经在瑞典斯德哥尔摩皇家工学院（KTH）的材料科学与工程系开发出来，Thermo-Calc的第一个版本发布于1981年，以后几乎每年更新，最新的版本P发布于2002年11月。
热力学软件简介优秀课件
➢ 用户群庞大，方便学习与交流； 7
软件模块：
• 1、 数据库处理： u 数据库查看模块（View Data Module） u 化合物模块（Compound Module） u 溶液模块（Solution Module） 2、 计算模块：
矿石、地球化学与环境
核材料、核燃料与核废物
2
合金相图与热力学计算软件Pandat • Pandat是一款用于计算多元合金相图和热力学性能的
软件包。可用于计算多种合金的标准平衡相图和热力 学性能，用户也可使用自己的热力学数据库进行相图 与热力学计算。 Pandat被广泛用于世界众多知名公 司与高校之中，友好的操作界面及标准、可靠的计算 结果已让其得到越来越多的工程师与科研人员的青睐。 Pandat开 发者为美国CompuTherm LLC公司，目前的 最新版本为Pandat7.0。CompuThermLLC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。1980年，美国著名教授Y. AustinChang在Wisconsin-Madison大学开始研究相图 计算。1996年，CompuTherm LLC成立，专注于开发相 图计算软件。
9
3、 结果及相关处理模块：
• u 结果处理模块（Results Module） u 混合反应物编辑模块（Mixture Module） u 图形处理模块（Figure Module）
10
数据库：
• 1、化合物数据库 • 2、 FACT53-FACT5.3化合物数据库 • 3、 SGPS-SGTE 纯物质数据库 • 4、化合物数据库和溶液数据库
• Thermo-Calc Software 专注于热力学计算和扩散模拟领域， 并努力为用户提供专业的软件、数据及服务。
Ni-Re与Co-Re二元体系的热力学研究及相图
［２１］
。 密度泛函理论（ ｄｅｎｓｉｔｙ
ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｏｒｙ，ＤＦＴ） ［２２］ 是第一性原理计算的基
础，其主要目标是用电荷密度函数代替复杂的多
电子波函数作为基本变量，从而实现电子结构的
计算。
本文 利 用 ＶＡＳＰ （ Ｖｉｅｎｎａ ａｂ ｉｎｉｔｉｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ＳＨＩ Ｚｈｏｎｇｗｅｎ１ ＸＩＡ Ｃｈｅｎｇｈｕｉ１ ＬＩＵ Ｗｅｉ２ ＬＵ Ｘｉａｏｇａｎｇ１，２
（１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４４４， Ｃｈｉｎａ；
２． Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｇｅｎｏｍｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００４４４， Ｃｈｉｎａ）
【 Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｎｉ⁃ Ｒｅ ａｎｄ Ｃｏ⁃ Ｒｅ ｂｉｎａｒｙ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｅｒｅ ｒｅ⁃ ｅｖａｌｕａｔｅｄ
封在氩气保护的石英管中，再将石英管置于马弗
炉中加热至 １ ４７３ Ｋ 保温 ７２ ｈ 后水淬，以消除偏
析并提高成分均匀性。 将淬火后的试样线切割加
工成 ４ ｍｍ × ４ ｍｍ × ４ ｍｍ 的正方体和直径 ４． ９
ｍｍ、高度 １８ ｍｍ 的圆柱样，然后清洗除去表面油
污，并用金相砂纸打磨抛光，确保后续处理不会有
度。
ｅｘ
Ｇ φｍ 表示过剩吉布斯自由能，即：
ｅｘ
（２）
Ｇ φｍ ＝ ｘ ｉ ｘ ｊ Ｌ φｉ，ｊ
式中：Ｌ 表示二元交 互 作 用 参 数， 再 以 Ｒｅｄｌｉｃｈ⁃
CALPHAD热力学计算及其在钢铁新产品研发中的应用(钢铁研究总院苏航)
控制钢中Ni/Cu=1、降低板坯加热 温度后，冷弯裂纹问题基本消除 2006年956钢取代进口材料用于我 国新一代海洋石油平台，取得成功
相关成功应用促进武钢研究院于 2007年引进了材料热力学模拟 软件和技术
Ni/Cu=1.0 (Cu=1%.Ni=1%)
5、结论 5、结论
广泛应用表明，基于严格的热力学理论和精确 的热力学数据库，CALPHAD相图计算方法和 软件可以有效解决钢铁材料研究和应用中的许 多实际问题； 相关领域的发展正在从根本上改变着传统上经 验主义占统治地位的材料研究模式。
Q345 steel, Ti treated， Ti=0.008
120 Impact energy at -20℃ ， J E＝ 100KJ/cm
焊接线外1mm100
80 60 40 20 0
Base metal Fusion Line 1mm
母材
2mm
3mm
Position
4、应用——高强含铜钢表面裂纹形成机理
可以预期，在未来10年里，随着自主创新能力的不断提 高，越来越多的企业和研究单位将应用该类技术解决材料 研发、生产、应用过程中的技术问题。
CISRI
CISRI
钢铁研究总
CALPHAD热力学计算 CALPHAD热力学计算 及其在钢铁新产品研发中的应用
苏航 柴峰 潘涛 王卓 杨才福
2010年6月
1、热力学计算方法的发展
材料热力学是经典热力学和统计热力学理论在材 料研究方面的应用，其目的在于揭示材料中相和 组织的形成规律。 一个典型热力学模型主要包括
热力学平衡的温度、压力参数 体系的化学元素列表、数量及基本性质 体系的组元列表及其热力学性质 相平衡方程 相中各组元的分布 保证平衡假设的其他约束条件
Thermo-Calc 计算机在材料科学中的应用
Thermo-Calc 计算机在材料科学中的应用Thermo-Calc姓名：xxx 学号：111111111111一、软件简介相图计算（CALPHAD：Calculation of Phase Diagram）是在前人收集、总结热力学数据的基础上发展形成的一门新的介于热力学、相平衡和计算机科学之间的交叉学科。
Thermo-Calc是一款基于已有文献和实验数据基础之上的相图和热力学计算软件，由瑞典皇家工学院（KTH）研发，并于1981年首次发布。
经过将近30年的发展，Thermo-Calc现已成为数据齐全、功能强大、结构较为完整的计算系统，是目前世界上享有相当声誉的热力学计算软件。
目前，该软件已被广泛用于计算不同体系的复杂相平衡或多元相图，在新材料设计，材料工程应用等过程中根据Thermo-Calc计算结果进行设计优化，可有效节省人力、物力。
该软件最早被发展用于钢的热力学计算，有关钢的数据库也比其他体系的数据库更为完备，是钢铁材料研究过程中一款有力的工具，可从钢的平衡态相组成、合金化的影响、析出相形成规律等不同角度开展热力学计算。
目前该软件分为经典版（TCC）和视窗版（TCW）两种，计算机原理及过程完全一样。
使用TCC能够更灵活、充分的发挥软件的功能，通过其中的“acro-file-open”命令还能直接调用已有程序，计算参数可以在文本格式的程序文件中随时修改，使日常的计算过程大为简化。
TCW是在TCC基础上发展而来，采用了Windows界面，使初学者能够迅速根据窗口提示开展计算。
本文仅针对后者进行简单介绍。
二、原理及应用Thermo-Calc把历史形成的热力学文献数据打包备用，是所有各种热力学和相图计算的通用和柔性的软件包，是建立于强大的Gibbs能最小化基础之上的。
它是多于30年和100人年的劳动以及很多各种项目的国际合作的结果。
Thermo-Calc软件可使用多种热力学数据库，特别是热力学数据库的国际合作组织Scientific Group ThermodataEurope(SGTE)开发的数据库。
Thermo-calc软件-TCCP用户指南 (有目录索引)
Thermo-Calc®User’s GuideVersion PThermo-Calc Software ABStockholm Technology ParkBjörnnäsvägen 21SE-113 47 Stockholm, SwedenCopyright © 1995-2003 Foundation of Computational ThermodynamicsStockholm, Sweden目录第1部分一般介绍1.1 计算热力学在近十年内与材料科学与工程相联系的计算机计算与模拟的研究与发展已经为定量设计各种材料产生了革命性的方法，热力学与动力学模型的广泛结合使预测材料成分、各种加工后的结构和性能。
产品开发与工程控制的数学模型的重要性已经证明对热力学计算和动力学模拟的高需求，先进材料的现代定量计算设计已从计算热力学与动力学中得到了惊人的益处。
用Thermo-Calc进行的热力学计算和用DICTRA进行的动力学模拟可戏剧性地加强制造过程的设计能力、热处理温度的选择能力、过程收益的优化能力等，这些易于理解的软件/数据库/界面包已经在世界范围内证明是最有力和最有柔性的排除昂贵和费时的实验、改进质量性能和控制环境影响的工程工具。
1.2 Thermo-Calc软件/数据库/界面包Thermo-Calc是所有各种热力学和相图计算的通用和柔性的软件包，是建立于强大的Gibbs能最小化基础之上的。
它是多于30年和100人年的劳动以及很多各种项目的国际合作的结果。
Thermo-Calc软件可使用多种热力学数据库，特别是热力学数据库的国际合作组织Scientific Group Thermodata Europe(SGTE)开发的数据库。
TCC(传统的Thermo-Calc)和其姊妹软件DICTRA（扩散控制相转变）已经在瑞典斯德哥尔摩皇家工学院（KTH）的材料科学与工程系开发出来，Thermo-Calc的第一个版本发布于1981年，以后几乎每年更新，最新的版本P发布于2002年11月。
Al-Si_合金表面析出行为及调控机制
第47卷第6期燕山大学学报Vol.47No.62023年11月Journal of Yanshan UniversityNov.2023㊀㊀文章编号:1007-791X (2023)06-0506-13Al-Si 合金表面析出行为及调控机制王健东1,杨兴铭1,杨寿奎2,MATEO Carlos Garcia 3,CARABALLO Isaac Toda 3,于㊀皓2,∗,徐㊀伟2(1.东北大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110819;2.东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110819;3.西班牙国家冶金研究中心物理冶金系,西班牙马德里28040)㊀㊀收稿日期:2022-07-24㊀㊀㊀责任编辑:唐学庆基金项目:国家重点研发计划资助项目(2021YFB3702502);国家级大学生创新创业训练计划资助项目(211346);中央高校基本科研业务专项资金资助项目(N2124001)㊀㊀作者简介:王健东(2001-),男,辽宁葫芦岛人,主要研究方向为合金的表面析出行为;∗通信作者:于皓(1991-),男,山东泰安人,博士,主要研究方向为新型自修复合金的计算设计及应用,Email:yuhao@㊂摘㊀要:表面处理在合金制备过程中应用广泛,其中通过调控表面析出行为来改变表面性质是一种简单易操作的合金表面处理方式㊂然而目前合金表面析出形核及长大的影响因素不明,制约了析出行为调控的有效实现㊂本文基于Al-Si 合金体系,分别通过改变表面粗糙度及表面应力状态的处理方式,以及分步退火工艺及直接退火工艺的热处理方法,系统性地研究了不同表面状态及不同热处理工艺对表面析出热动力学的影响规律及机制㊂实验结果表明,直接退火工艺下,表面析出相沿平行于表面方向及垂直表面方向的析出行为与表面粗糙度及应力状态的分布并无明显关联㊂而在分步退火工艺下,表面析出相表现出显著的沿划痕内部㊁压痕边部等大曲率表面特异性生长的趋势㊂对析出行为定量统计以及热动力学机制的分析指出,表面析出相的形核热力学并未受到表面曲率改变的显著影响,而其长大速率在大曲率表面处有较为明显的提高㊂此现象的发现与机制的阐释可为表面析出行为的定量调控提供指导㊂关键词:析出相;表面粗糙度;表面应力;热动力学中图分类号:TG146.2+1㊀㊀文献标识码:A㊀㊀DOI :10.3969/j.issn.1007-791X.2023.06.0040㊀引言表面处理在合金制备过程中应用十分广泛㊂由于其特殊的物理化学性质,合金的表面直接影响其耐蚀性㊁耐磨性㊁疲劳寿命等性能[1-5],并且在反射性㊁润湿性和生物相容性等功能特性方面也有重要影响㊂目前已开发出一系列表面处理工艺,以满足服役过程中对材料表面性能的要求㊂现有的表面工程及处理技术有:表面淬火㊁表面硬化㊁电镀㊁化学镀㊁离子镀㊁热喷涂㊁激光熔覆㊁气相沉积㊁辉光等离子渗㊁激光表面合金化㊁合金表面析出等[6-14]㊂然而现有的全部表面处理工艺几乎均作为材料制备过程中的一个独立的加工步骤,并且通常还包括添加来自外部来源的材料如油漆㊁碳㊁氮㊁锌等[15-22]㊂在加工过程中增加一个单独的步骤通常会导致加工成本的大幅提升,同时还会产生更多的能源消耗以及污染物排放㊂作为一种表面改性的新工艺,调控表面析出能够非常有效地对合金的表面性能进行改良,并且由于其只需要进行相对简单的工序即可实现合金表面的改性,因此有望整合到合金整体处理工艺中,达到简化操作流程㊁节约加工成本的目的[23]㊂然而目前为止,影响表面析出的主要因素与机制方面的研究较少,这就导致难以精准地对表面析出行为进行预估与调控㊂Feng 等人发现在Al-Cu-Mg 合金自然时效的过程中,由于管扩散的激活能相对于体扩散更低,并且位错运动可能将溶质原子从内部携带到表面,因此位错可以促进第6期王健东等㊀Al-Si合金表面析出行为及调控机制507㊀溶质向表面的扩散,进而促进表面析出[24]㊂Xia等人也发现,在GW103K合金中,经过表面机械研磨处理引入位错后,析出相在表面的形核功减小,形核率增大,在相同的热处理工艺下会出现更多的表面析出[25]㊂Jepson等人发现在双相不锈钢合金中,在一定的热处理时间和温度下,材料表面σ相的形成速率发生了变化,表面越粗糙,析出深度越大[26]㊂Krishna等人发现通过对AA2219合金引入宏观压痕以产生局部表面变形后再进行时效处理,可以提高表面变形区的析出速率,使材料内部基体达到峰时效的同时表面变形区达到过时效状态,在不牺牲合金整体强度的前提下提高表面的耐蚀性[27]㊂以上研究已初步表明,表面析出的热动力学可能受表面粗糙度及应力分布的影响㊂此外,表面析出本质上仍为固溶原子受化学驱动力驱动脱溶行为,其析出行为决定于材料的热力学状态,因此通过调节热处理工艺促进表面偏析行为的方法可以实现表面析出的有效调控㊂Chen等人通过试验发现在6061铝合金中,热处理工艺对表面析出的形态以及动力学有较大影响㊂将合金在570ħ固溶处理2h后以50ħ/min的速度冷却至450ħ并保温15min后淬火(分步退火工艺),其表面析出物的形态表现为分枝状,分布均匀,相对于原始表面凸起,呈现出三维形态㊂改变保温温度后,在一定温度范围内,随着时效温度的降低,析出物的数量密度增加,平均尺寸减小[23]㊂通过采用分步退火工艺进行热处理使合金产生表面偏析从而改变表面析出形成的热动力学条件,促进表面析出的形成[28-32]㊂因此,表面析出行为受热处理工艺的影响十分显著㊂总结来说,已有研究目前已形成了表面析出可能与表面粗糙度㊁表面应力及热处理工艺相关的表观结论,然而影响表面析出的热动力学机制尚并不明确,制约了其定性/定量调控的实现㊂为探索合金不同表面状态及不同热处理工艺对合金表面析出的影响规律及机制,本文选择Al-Si二元合金为原型合金,通过机械磨损改变合金表面的粗糙度,通过显微硬度计引入压痕使样品表面部分区域产生表面应力,同时采用分步退火与直接退火两种不同的热处理工艺进行对比试验,分别研究了不同的热处理工艺㊁表面应力和表面粗糙度对表面析出过程的影响,以揭示不同表面处理方法对表面析出热动力学的影响机制,为表面析出行为的调控提供指导㊂1 实验本文选择的代表性合金体系为Al-1.12%(质量分数)Si二元合金,选择纯度为99.99%的高纯铝及纯度为99.99%的高纯硅为原料,以排除杂质元素对表面析出行为的影响㊂通过真空感应熔炼和锻造获得特定尺寸的原型合金锭㊂使用Thermo-Calc热动力学软件的TCAL6数据库,计算Al-1.12%(质量分数)Si合金的热平衡相图(图1 (a)),确定其单相区温度范围为540ħ~600ħ,为获得具有过饱和固溶度的基体,需要先将合金在550ħ下保温5h以实现成分均一化㊂将均一化后的样品水冷淬火,得到常温下处于过饱和状态的单相合金,基于此对此样品应用不同方法进行处理,以观察其表面析出行为㊂为实现对合金表面析出行为的原位观测,本文使用VL2000DX型高温激光共聚焦显微镜对样品进行热处理及表征㊂在加热前将腔体抽真空至10-3Pa,以尽可能减少气氛对表面析出的影响㊂为了防止升降温过程中Si的富集与第二相的析出影响实验结果,需要快速升降温以减少样品位于两相区的温度范围的时间,因此实验的升温速率设置为150ħ/min,由高温降到室温的降温速率均设置为250ħ/min㊂首先由Al-1.12%(质量分数)Si合金热平衡相图,得知在平衡状态下,Al-1.12%(质量分数)Si 合金在540ħ时为单一FCC基体相,在540ħ以下位于基体+富Si相的双相区㊂因此,确定了热处理温度分别为540ħ与450ħ㊂为了对比不同热力学状态对表面析出行为的影响,本文设置了两种不同的热处理工艺,一种为分步退火工艺(图1(b)),即先将样品以150ħ/min的升温速率加热至540ħ保温30min后,再以50ħ/min的降温速率降温至450ħ,分别保温5min或30min,最后以250ħ/min的降温速率降温到室温㊂另一种为金属热处理常用的直接退火工艺(图1(c)),即将样品以150ħ/min的升温速率加热至540ħ后分别保温5min或30min后,以250ħ/min的降温速率降温到室温㊂在热处理之前,还需要在同一样品的两个区域508㊀燕山大学学报2023分别引入两种不同的表面处理工艺㊂一种是用5000#砂纸在已机械抛光的合金表面引入划痕,以产生不同的表面粗糙度,另一种是用显微硬度计在已机械抛光的合金表面压出压痕以引入表面应力㊂旨在通过控制变量的方法研究合金表面应力㊁表面粗糙度和热处理工艺对表面析出过程的影响㊂图1㊀合金热平衡相图及热处理工艺图Fig.1㊀Thermal equilibrium phase diagram and heat treatment process diagram of alloy㊀㊀在样品经表面处理与热处理后,为定量化表面析出行为,需同时对析出相沿平行于样品经处理的表面方向以及该表面的垂直方向的析出行为进行表征㊂具体如图2所示㊂采用表面镀镍的方法观测析出相沿垂直表面的截面处析出形貌㊂电镀实验所用镀液为电镀冲击镍镀液,主要成分为氯化镍与盐酸㊂将样品连接直流脉冲电源的正极,镍板连接负极后样品与镍板同时放入电镀液中在3V电压下电镀10min㊂图2㊀不同表面处理方法示意图Fig.2㊀Schematic diagram of different surface treatment methods㊀㊀使用OLS4100型3D测量激光显微镜测量试样表面物理形貌及粗糙度,并利用Abaqus有限元模拟压痕的应力集中区域㊂同时使用BX53MRF型奥林巴斯金相显微镜与JEOL JXA-8530F场发射电子探针,对样品不同区域析出相沿平行于表面方向及垂直于表面方向的形貌与元素分布等显第6期王健东等㊀Al-Si 合金表面析出行为及调控机制509㊀微特征进行表征㊂2㊀结果与讨论2.1㊀表面处理方法使用3D 测量激光显微镜对引入划痕前㊁后的表面粗糙度进行分析㊂图3(a)㊁(b)分别为样品表面抛光前后激光共聚焦粗糙度分布图,通过计算垂直于划痕方向的线粗糙度可知抛光后合金表面的线粗糙度为R a =0.0072μm,表面处理后合金划痕处线粗糙度为R a =0.9624μm,造成了显著的粗糙度差异,可以对比不同表面粗糙度对析出行为的影响㊂图3㊀样品表面粗糙度分布Fig.3㊀The surface roughness distribution of the samples㊀㊀图4为使用Abaqus 有限元模拟引入压痕的表面应力与应变分布的结果㊂图4中大图为压痕的应力分布,右上角小图为压痕的等效应变分布㊂采用隐式计算,设定铝合金基体屈服强度30MPa,弹性模量为70GPa,密度为2700kg /m 3,网格采用C3D8类型网格,网格间距0.003mm,模拟区域40μm ˑ40μm㊂由有限元模拟应力分布的结果可知,压痕中心处㊁棱边处及四边的中心处为应力集中区域,如图中箭头标记区域所示㊂而右上图等效应变的分布结果表明,压痕的棱边处及压痕中心位置为等效压应变的集中分布区域㊂压痕实验造成表面应力集中的区域与应变集中的区域高度重合㊂因此,表面应力/应变集中区域附近的表面析出行为将为接下来研究表面析出行为的重点关注区域㊂图4㊀压痕表面应力应变分布模拟图Fig.4㊀Simulation of stress and strain distributionon the indentation surface2.2㊀截面处理方法为了定量表征不同热处理工艺下析出自样品表面向基体内部的析出规律,在经热处理与表面处理后的样品表面镀镍,随后将样品沿垂直表面方向用砂纸打磨到一定深度后抛光至OPS 级,以便观察表面析出沿截面方向析出行为㊂镀镍后样品垂直截面如图5所示,镀层的厚度约为9.46ʃ1.86μm㊂对于表面处理后的样品表面,由于热处理工艺以及表面处理方式的不同,析出相沿平行于表面方向的析出行为也各不相同,因此需对不同热处理工艺以及表面处理方式的样品分别进行表征研究㊂但实验结果表明,与表面析出行为不同的是,析出相在垂直截面的析出行为仅受热处理工艺的影响,而在划痕与压痕垂直截面处的形貌并无明显差别㊂即不同表面处理方式对析出相垂直表面方向析出行为的影响不大㊂因此本文以划痕为例,对析出相沿垂直表面方向的析出行为510㊀燕山大学学报2023进行了表征㊂图5㊀镀镍后样品垂直截面图Fig.5㊀Vertical cross section of the sample after nickel plating2.3㊀不同处理工艺下的表面析出行为2.3.1㊀表面划痕处理将样品使用分步退火工艺进行热处理,并分别在450ħ下保温5min 与30min,处理后对样品表面使用光学显微镜对样品划痕区域进行观察,得到的图像分别如图6(a)与图6(c)所示;利用电子探针背散射电子成像,获得两样品划痕区域垂直界面的形貌图,如图6(a)与图6(c)中小图所示;同时使用电子探针对样品进行成分扫描来确定样品划痕区域表面和垂直截面的Si 元素的面分布,其结果如图6(b)与图6(d)所示㊂保温5min后,表面析出的析出相尺寸呈双峰分布,较大的析出相尺寸平均为11.77μm 2,形态为树枝状;较小的析出相的尺寸平均为0.23μm 2,形态为等轴状㊂划痕处树枝状析出相与等轴状析出相的分布相较于无划痕处并无差异,二者分布相对均匀,并且划痕处树枝状析出相出现沿划痕方向生长的趋势;划痕处与无划痕处的Si 浓度面分布也无明显差异,在个别部位出现富Si 区沿划痕方向扩张的趋势㊂而对于该样品的垂直截面,析出相并未表现出特异性分布,形态呈椭圆状,生长深度约为0.72μm㊂保温30min 后,表面析出的析出相尺寸仍呈双峰分布,但与保温5min 的样品相比,较大的树枝状的析出相尺寸明显增大,平均达44.25μm 2;较小的析出相的尺寸变化不大,平均为0.18μm 2,但数量明显减少㊂其垂直截面析出相仍未出现特异性分布,形态仍为椭圆状,但其深度相较于保温5min 的样品明显增长,为1.19μm㊂与保温5min 的样品差异较大的是:随着保温时间的延长,处于无划痕区域的析出相占总析出相的比例明显减少㊂析出相的形态相较于5min 时也有所不同,在形成了较大尺寸的树枝状析出相的同时,绝大部分的析出沿划痕生长,同时富Si 区明显沿划痕方向扩张;并且划痕内析出相的分支较无划痕处析出相更少,甚至没有分支㊂产生这种现象的原因有可能是析出相处于无划痕处的一些分支重新固溶到了基体中,使得部分析出相的分支数减少;也有可能是析出相沿划痕方向的生长速率大于其他方向分枝的生长速率,因此两个甚至多个析出相沿划痕方向的分支连接到一起,使得总体的分枝数减少㊂总体来说,相较于无划痕处,在树枝状析出相长大的过程中会优先在有划痕的地方生长,划痕的引入显著影响了表面析出的分布与长大动力学㊂将样品使用直接退火工艺进行热处理,并分别在450ħ下保温5min 与30min㊂处理后对样品表面划痕区域使用光学显微镜进行观察,得到的图像分别如图7(a)与图7(c)所示;利用电子探针背散射电子成像,获得两样品划痕区域垂直界面的形貌图,如图7(a)与图7(c)中小图所示;同时使用电子探针对样品进行面扫描来确定划痕区域表面和垂直截面的Si 元素的面分布,其结果如图7(b)与图7(d)所示㊂可以看出,保温5min后,相比于分步退火工艺得到的析出相,直接退火工艺得到的析出相尺寸较为均匀,平均尺寸为0.44μm 2,形态为等轴状,其分布与划痕位置无明显关联;划痕处与无划痕处的Si 浓度面分布也无明显差异㊂而对于垂直截面,析出相并未出现特异性分布,呈现类似表面析出的等轴状,其生长深度约为0.5μm㊂保温30min 后,析出相尺寸略有增长,平均尺寸为0.56μm 2,但仍未出现双峰分布现象,且形态仍为等轴状,在划痕内部与无划痕处析出相的分数大致相同,划痕处与无划痕处的Si 析出也无明显差异,并未呈现特异性分布㊂其垂直截面析出相仍未出现特异性分布,形态仍为等轴状,但其生长深度相较于保温5min 的样品明显增长,为0.79μm㊂综上所述,直接退火工艺得到的析出相与划痕位置无明显关联㊂但相比于保温5min 的样品,保温30min 的样品的划痕附近的析出相出现了一定的沿着划痕生长的趋势㊂第6期王健东等㊀Al-Si 合金表面析出行为及调控机制511㊀图6㊀分步退火工艺下划痕样品的表面与基体析出相形貌与Si 元素分布Fig.6㊀Morphology of surface and matrix precipitation and distribution of surface and matrixSi element under the stepwise annealing process of scratched samples图7㊀直接退火工艺下划痕样品的表面析出相形貌与Si 元素分布Fig.7㊀Morphology of surface and matrix precipitation and distribution of surface and matrixSi element under the direct annealing process of scratched samples512㊀燕山大学学报20232.3.2㊀表面压痕处理将样品使用分步退火工艺进行热处理,并分别在450ħ下保温5min 与30min㊂处理后对样品压痕区域表面使用光学显微镜进行观察,得到的图像分别如图8(a)与图8(c)所示;用电子探针对压痕区域进行面扫描来确定样品表面的Si 元素面分布,其结果如图8(b)与图8(d)所示㊂根据图4的应力分析,将应力集中区域标记为图8(a)与图8(c)中的标记区域㊂保温5min 后,表面析出的析出相尺寸呈与图6(a)类似的双峰分布,较大的形态为树枝状的析出相尺寸平均为14.93μm 2;较小的形态为等轴状的析出相的尺寸平均为0.33μm 2㊂相较于无压痕区域,压痕的应力集中区域并未出现析出相特异性分布的特点;Si 元素也未在压痕的应力集中区域特异性富集㊂保温30min 后,表面析出的析出相尺寸仍呈双峰分布,但与保温5min 的样品相比,较大的树枝状的析出相尺寸明显增大,平均达55.47μm 2;较小的析出相的尺寸变化不大,平均为0.35μm 2,但数量明显减少㊂保温30min 后样品表面析出相的分布与保温5min 的样品类似,其分布与压痕处的应力集中并无明显关联;Si 元素的面分布也与压痕的应力集中区域无明显关联,在整个表面呈平均分布㊂图8㊀分步退火工艺下压痕样品的表面析出相形貌与表面Si 元素分布Fig.8㊀Morphology of surface precipitation and distribution of surface Si element under thestepwise annealing process of indented samples㊀㊀将引入样品使用直接退火工艺进行热处理,并分别在450ħ下保温5min 与30min㊂处理后对样品压痕区域表面使用光学显微镜进行观察,得到的图像分别如图9(a)与图9(c)所示;用电子探针对压痕区域进行面扫描来确定样品表面的Si 元素面分布,其结果如图9(b)与图9(d)所示㊂压痕的应力集中处为图9(a)与图9(c)标记区域㊂保温5min 后,析出相的尺寸分布与图7(a)类似,尺寸较为均匀,并未出现双峰分布,平均尺寸为0.46μm 2,形态为等轴状㊂相比于无压痕区域,压痕的应力集中区域并未呈现出特异性分布的特点;Si 元素也未在此区域特异性富集㊂保温第6期王健东等㊀Al-Si 合金表面析出行为及调控机制513㊀30min 后,析出相尺寸略有增长,平均尺寸为1.35μm 2,但仍未出现双峰分布现象,且形态仍为等轴状,分布同保温5min 类似,并未呈现出在压痕应力集中区域特异性分布的特点㊂图9㊀直接退火工艺下压痕样品的表面析出相形貌与表面Si 元素分布Fig.9㊀Morphology of surface precipitation and distribution of surface Si element under thedirect annealing process of indented samples3 讨论综上,通过对图6~9中表面析出相形貌的对比,可以看出,用分步退火工艺处理的样品在保温30min 后树枝状表面析出相的平均尺寸由保温5min 后的11.77μm 2增长到44.25μm 2,增加了32.48μm 2,平均尺寸显著增大,经分步退火工艺处理的样品更能反映出表面析出相的长大特点㊂而用直接退火工艺处理的样品表面析出相在保温5min 后的尺寸仍为0.44μm 2的亚微米量级,并在保温30min 后的平均尺寸仅增长到0.56μm 2,平均尺寸无明显变化,经直接退火工艺处理的样品更能反映出表面析出相的形核特点㊂统计了经两种热处理工艺后样品表面各区域析出相所占面积分数,如图10所示㊂在分步退火工艺下,其自由表面区域析出相的面积分数如图10(a)的方形点所示,保温5min 后样品表面无划痕处析出相所占面积分数为8.87%,保温30min后面积分数增长至10.47%,增长了1.60%㊂划痕区域析出相面积分数如图10(a)的实心柱状图所示,其在保温5min 与保温30min 后所占面积分数分别为10.81%与34.94%,后者相较前者增长了24.13%㊂压痕区域的析出面积分数如图10(a)的阴影柱状图所示,由5min 时的8.54%增长到30min 时的11.22%,涨幅为2.68%㊂归纳分析后可知,用分步退火工艺处理并保温5min 后,样品表面压痕处与基体处析出相所占面积分数几乎相等,而划痕处析出相所占面积分数略大于二者;保温30min 后,样品表面压痕处与基体处析出相所占面积分数差异仍然较小,但划痕处析出相所占面积分数约等于基体处的3倍;从保温5min到保温30min 析出相所占面积分数的涨幅来看,压痕处的数值略高于基体处,二者整体差异较小,514㊀燕山大学学报2023而划痕处的数值远大于前二者㊂以上结果说明在保温足够长时间后,析出相明显在划痕处聚集,析出相有沿划痕长大的显著趋势,表面粗糙度的改变会对表面析出的长大行为产生显著影响;而析出相在有应力集中的压痕区域和基体处分布无明显差异,说明应力对表面析出相的长大无明显影响㊂而在直接退火工艺下,样品自由表面处析出相㊁表面划痕处析出相㊁表面压痕处析出相所占面积分数分别如图10(b)中的方形点㊁实心柱状图与阴影柱状图所示,在保温5min 的情况下分别为4.01%㊁4.15%㊁5.11%;在保温时间延长至30min时增长至6.52%㊁7.02%㊁7.65%,涨幅为2.51%㊁2.87%㊁2.54%㊂归纳分析后可知,保温5min 后,样品表面划痕与压痕处的析出相所占面积分数均略高于基体处;保温30min 后,划痕与压痕处的析出相所占面积分数同样均略高于基体处,但三者差异很小㊂考虑到在保温5~30min 的过程中析出相发生了一定程度的长大,因此保温5min 的数据更能反映表面处理工艺对析出相形核的影响㊂保温5min 后样品表面划痕㊁压痕与基体处的析出相所占面积分数相差较小,说明划痕与压痕对析出相的形核并无明显促进作用㊂图10㊀不同热处理工艺下表面析出相面积分数Fig.10㊀Area fraction of surface precipitation under different heat treatment processes㊀㊀定量统计的结果表明,分步退火工艺保温5min 与30min 后,样品表面析出相在划痕区域的面积分数显著大于其他两区域,其随保温时间延长而增长的幅度相比于其他两区域也显著提升㊂同时通过对图6~图9的观察后发现:除直接退火工艺下保温5min 的样品外,其余样品的表面析出相均出现了一定的沿划痕以及压痕的四边和棱边长大的趋势长大的趋势㊂对于这种特异性析出行为,本文将在后续的讨论中给出了定量化描述㊂对于样品垂直截面,由图6与图7可知,析出相并未呈特异性分布,但在不同热处理工艺下析出相尺寸发生了一定的变化㊂因此,统计了两种热处理工艺下析出相沿垂直截面的析出深度,如图11所示㊂其中实心柱状图表示分步退火工艺下析出相沿垂直截面的析出深度,保温5min 时析出深度为0.72μm,保温30min 时析出深度为1.19μm㊂阴影柱状图则表示在直接退火工艺下析出相沿垂直截面的析出深度,在保温5min 与保温30min 的情况下分别为0.50μm 与0.79μm㊂由此可见,析出相随保温时间延长沿垂直截面逐渐向基体内生长,同时分步退火工艺下的析出向沿截面的析出行为相较于直接退火工艺下的更为明显㊂综合考虑图6~图11的实验结果,将分步退火工艺及直接退火工艺下划痕表面及压痕表面析出行为的机制总结如图12所示㊂右侧的Si 含量分布图展示了不同处理工艺后截面处Si 元素在近表面的富集情况㊂图12(a)表明,与直接退火工艺相比,在分步退火工艺后引入划痕的表面具有更高含量的Si 元素表面偏析行为,这主要是由于。
计算机在材料科学与工程中的应用题集
计算机在材料科学与工程中的应用题集一、选择题1. 在材料科学中，正交实验设计主要用于：A. 预测材料性能B. 单一变量研究C. 复杂系统建模D. 多因素交互作用分析答案: D. 多因素交互作用分析2. 正交表在正交实验设计中的主要作用是：A. 确定实验次数B. 预测实验结果C. 安排实验因素水平D. 评估实验误差答案: C. 安排实验因素水平3. 下列哪项不是正交实验设计的优点？A. 减少实验次数B. 提高实验效率C. 精确控制单一变量D. 便于分析多因素交互效应答案: C. 精确控制单一变量（正交实验设计主要关注多因素交互，而非单一变量）4. 在使用正交实验设计软件时，首先需要：A. 设定实验结果预期B. 确定实验因素及水平C. 分析历史数据D. 选择合适的正交表答案: B. 确定实验因素及水平5. 正交实验设计中的“水平”指的是：A. 实验的重复次数B. 实验因素的不同取值C. 实验结果的精确度D. 实验设备的型号答案: B. 实验因素的不同取值6. 下列哪项是分析正交实验结果时常用的方法？A. 方差分析B. 回归分析C. 因子分析D. 以上都是答案: D. 以上都是7. 正交实验设计能够有效减少实验次数，主要是因为：A. 减少了实验误差B. 简化了实验流程C. 利用正交表合理安排实验D. 提高了实验结果的可靠性答案: C. 利用正交表合理安排实验8. 正交实验设计中，如果某个因素有3个水平，另一个因素有2个水平，那么至少需要进行的实验次数是：A. 2B. 3C. 5D. 6答案: D. 6（正交表的选择会基于各因素的最大水平数，通常需要选择能容纳所有因素及其水平的最小正交表）9. 在分析正交实验结果时，如果某个因素的极差（Range）最大，说明：A. 该因素对实验结果影响最小B. 该因素对实验结果影响最大C. 该因素与其他因素无交互作用D. 实验结果完全由该因素决定答案: B. 该因素对实验结果影响最大10. 正交实验设计的结果分析不包括以下哪项内容？A. 计算各因素的极差B. 绘制因素与指标的关系图C. 预测未来实验结果D. 分析多因素间的交互作用答案: C. 预测未来实验结果（正交实验设计主要用于分析现有实验数据，而非预测未来结果）11. 在选择正交表时，以下哪个因素不是主要考虑的？A. 实验因素的数量B. 各因素的水平数C. 实验结果的精确度要求D. 实验人员的个人喜好答案: D. 实验人员的个人喜好（正交表的选择应基于实验设计的科学性和统计要求）12. 正交实验设计在材料改性研究中，常用于：A. 确定最佳改性条件B. 评估改性材料的市场价值C. 预测改性材料的寿命D. 分析改性材料的微观结构答案: A. 确定最佳改性条件13. 当正交实验设计的结果显示两个因素之间存在显著的交互作用时，应进一步：A. 忽略该交互作用B. 仅分析其中一个因素C. 进行交互作用图的绘制与分析D. 增加实验次数以确认结果答案: C. 进行交互作用图的绘制与分析14. 在材料科学研究中，采用正交实验设计后，通常需要进一步进行：A. 重复实验验证B. 单一变量补充实验C. 数据拟合分析D. 以上都是答案: D. 以上都是15. 在材料力学分析中，用于模拟复杂应力状态下材料行为的常用数值方法是？A. 有限元法B. 有限差分法C. 蒙特卡洛模拟D. 分子动力学模拟答案: A. 有限元法16. 哪种软件常用于材料科学中的三维结构模拟与优化？A. MATLABB. SolidWorksC. COMSOL MultiphysicsD. Autodesk Inventor答案: C. COMSOL Multiphysics17. 在进行材料断裂力学分析时，主要关注的是哪个参数？A. 弹性模量B. 应力强度因子C. 泊松比D. 屈服强度答案: B. 应力强度因子18. 下列哪项技术可用于预测材料在极端条件下的性能变化？A. 密度泛函理论B. X射线衍射分析C. 分子动力学模拟D. 扫描电子显微镜答案: C. 分子动力学模拟19. 在材料结构分析中，哪种方法能够直接观察材料的内部微观结构？A. 有限元分析B. 透射电子显微镜C. 数值模拟D. 红外光谱分析答案: B. 透射电子显微镜20. 材料科学中，用于模拟材料在加载条件下应力分布的软件通常是？A. AutoCADB. ANSYSC. OriginD. SPSS答案: B. ANSYS21. 哪种分析技术可以评估复合材料中各组分间的界面结合强度？A. 纳米压痕测试B. 扫描隧道显微镜C. 微观力学模型D. 拉曼光谱分析答案: C. 微观力学模型22. 在材料疲劳分析中，为了评估材料的寿命，常用的方法是？A. 应力-应变曲线分析B. 疲劳裂纹扩展速率测试C. 硬度测试D. 热重分析答案: B. 疲劳裂纹扩展速率测试23. 下列哪个软件常用于材料的相图计算和热力学模拟？A. MATLABB. Thermo-CalcC. SolidWorksD. Gaussian答案: B. Thermo-Calc24. 在进行材料的热应力分析时，主要考虑的是材料的哪项性质？A. 导热系数B. 弹性模量C. 密度D. 熔点答案: A. 导热系数25. 材料科学中，模拟材料在腐蚀环境下的行为常用哪种方法？A. 蒙特卡洛模拟B. 有限元腐蚀模拟C. 电化学测试D. 密度泛函理论答案: B. 有限元腐蚀模拟（注意：虽然实际中“有限元腐蚀模拟”不是标准术语，但这里为了题目设计而使用，意在表达使用有限元方法进行腐蚀行为的模拟）26. 在材料科学研究中，为了分析材料的微观缺陷，常用的技术是？A. 超声波检测B. 透射电子显微镜C. 红外热成像D. 激光粒度分析答案: B. 透射电子显微镜27. 在进行材料的力学性能测试时，用于评估材料韧性的主要指标是？A. 硬度B. 弹性模量C. 冲击韧性D. 屈服强度答案: C. 冲击韧性28. 在模拟材料的高温蠕变行为时，关键考虑的是材料的哪个性质？A. 弹性模量B. 蠕变极限C. 断裂韧性D. 熔点答案: B. 蠕变极限29. 下列哪种技术用于分析材料在加载过程中的变形和应力分布？A. 扫描电子显微镜B. 数字图像相关法（DIC）C. 红外光谱D. 能量色散X射线光谱（EDS）答案: B. 数字图像相关法（DIC）30. 在材料科学中，为了模拟材料的热传导过程，常用的软件是？A. ANSYSB. GaussianC. MATLABD. AutoCAD答案: A. ANSYS31. 第一性原理计算中，用于描述材料电子结构的理论框架主要是？A. 密度泛函理论B. 经典力学C. 统计力学D. 量子力学答案: D32. 在第一性原理计算中，哪个参数对于描述固体的能带结构至关重要？A. 晶胞大小B. 原子间距C. 离子电荷D. 布里渊区答案: D33. 下列哪个软件常用于第一性原理计算的密度泛函理论模拟？A. MATLABB. AutoCADC. GaussianD. VASP答案: D34. 第一性原理计算中，用于近似处理多电子体系中电子间相互作用的常见方法是？A. 玻尔模型B. 哈特里-福克方法C. 密度矩阵方法D. 局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA）答案: D35. 哪种类型的计算在第一性原理模拟中通常用于研究材料的表面和界面性质？A. 分子动力学模拟B. 蒙特卡洛模拟C. 量子蒙特卡洛模拟D. 平板模型计算答案: D36. 在第一性原理计算中，为了获得更准确的电子结构信息，经常需要优化哪个参数？A. 原子质量B. 离子半径C. 晶格常数D. 截断能答案: D37. 下列哪个物理量在第一性原理计算中通常用于描述材料的磁性？A. 电导率B. 介电常数C. 热导率D. 磁矩答案: D38. 在进行第一性原理计算时，哪个步骤通常涉及求解Kohn-Sham方程？A. 初始化参数B. 能量最小化C. 自治场迭代D. 能带结构分析（尽管不直接求解K-S方程，但C项更接近实际求解过程）答案: C（注意：D项不直接相关，但C项是求解K-S方程的核心步骤）39. 第一性原理计算中，用于描述材料光学性质的物理量通常是什么？A. 折射率B. 电阻率C. 介电函数D. 复介电常数答案: D40. 下列哪个算法在第一性原理计算中常用于处理材料的声子谱？A. 密度泛函微扰理论（DFPT）B. 分子动力学C. 蒙特卡洛方法D. 超胞法结合有限位移法答案: A（但D项也是实际操作中可能用到的方法之一，但A项更直接相关）（注意：第40题的D选项虽然在实际中可能用于计算声子谱，但A 选项的DFPT是第一性原理计算中更直接用于声子谱计算的方法。
THERMO有用的部分
3.2.2 体系、组元、相、组成、物种（System, component, phases, constituents and species）热力学中，总是有一个与环境交换物质、热和功的封闭的或开放的体系，热力学体系由组元和相组成表现为均匀的（均质的）或不均匀的（异质的）状态。
组分是体系广义的实体，有时所称的组分是强调这样的事实，一个组分由一个具有某些特征化热力学性质的唯一名称，这些热力学性质为量、活度或化学势。
平衡时，整个体系中组分的活度和化学势为常数。
在一个体系中，物质将总是出现在一个或多个稳定或介稳定相中（体系均质部分），在一定体积中，同种相经常出现在很多分开的地方，如空气中粉尘颗粒。
均质意味着体系在成分、温度和压力方面是均匀的，并且各处具有相同结构。
相比之下，异质体系至少有两相组成。
一相由其各组元的成分、焓、体积和其它性质来量化。
相具有可能不同于组元的组成，组成具有可用组元和可能电荷表示的化学计量比，例如，凝聚相可能有一个象亚点阵或团簇（模型化为组成）一样的内部结构。
组成可以是元素[Fe，Si，C，O]或分子状的聚簇，聚簇可能是中性的[Fe3C，FeSi，Fe0.87O，SiO2，H2O，CH3COOH]和带电的[Fe+2，Fe+3，HO-1，Fe(OH)2+4]。
所有这样的组成称作组元（species）。
一种组元可以是一相或几相的组元，同时在一相中的出现可以是真的或想象的（来自模型的假设）。
为了近似表达一相中一个带电物质的化学计量比，将电子用作一特定组元，记为/-或ZE，通常为相组成的一部分。
Thermo-Calc软件包将气体、液体和固相中的带电组成记为/-，将水溶液带电组成记为ZE，。
与这种特定指派相对应，带负电荷组元的化学计量比可表示为H1O2/-或H1O2ZE+1，带正电荷组元为FE1/+2或FE1ZE-2。
模型中使用的其它特定组元是空位，总是记为VA。
空位用作有空的位置的亚点阵的组成，空位的化学势总是设定为零。
9%～12%Cr钢在蠕变时效中析出相变化的研究
9%～12%Cr钢在蠕变时效中析出相变化的研究姜运建;王庆;郑相锋;李文彬【摘要】针对9%～12%Cr钢为含析出相M23C6和MX的回火马氏体组织,在高温蠕变或时效过程中会析出Laves相和Z相的情况,结合国内外对9%～12%Cr钢析出相的最新研究成果,详细分析了在蠕变时效过程中析出相的特征、析出规律和对蠕变开裂的影响.【期刊名称】《河北电力技术》【年(卷),期】2010(029)003【总页数】5页(P1-5)【关键词】材料科学与工程;9%～12%Cr钢;Laves相和Z相;蠕变时效【作者】姜运建;王庆;郑相锋;李文彬【作者单位】河北省电力研究院,石家庄,050021;河北省电力研究院,石家庄,050021;河北省电力研究院,石家庄,050021;河北省电力研究院,石家庄,050021【正文语种】中文【中图分类】TG441.7新型9%～12%Cr铁素体耐热钢，如T/P91、T/P92、T/P122、E911等，因具有优异的耐高温性能而被广泛应用于大容量、高参数的电厂锅炉[1]。
锅炉参数的提高可以提高燃煤发电厂的热效率，降低煤耗，减少CO2的排量，达到保护环境，节约能源的目的。
9%～12%Cr铁素体钢的理想回火组织为碳化物M23C6和MX型钒/铌碳氮化物的回火马氏体组织。
9%～12%Cr铁素体耐热钢在长期蠕变和时效过程中，其碳、氮化合物会析出长大，同时也将形成新相，如Laves相和Z相，并伴随着性能的劣化。
因此，9%～12%Cr铁素体耐热钢微观组织相的析出、长大，以及在蠕变和时效中的变化成为国内外研究的热点[2-6]。
1 M23C6相和MX相的特征和变化规律M23C6相和MX相作为沉淀强化相存在于9%～12%Cr铁素体钢的回火马氏体基体中，对提高其高温下的强韧性起到至关重要的作用。
M23C6相和MX相均为面心立方相，其中M23C6相分子式一般为(Fe、Cr或Mo)23C6，是复杂的面心立方结构，点阵常数一般为1.050～1.070 nm。
Thermo-Calc系统在材料科学中的应用
Thermo-Calc系统在材料科学中的应用在近十年内，计算机模拟在材料科学与技术中的应用对于材料设计的定量化产生了革命性的影响，各种热力学和动力学模型的组合使得预测材料加工过程中材料的成份、结构及性质成为了可能。
在此背景下，一个通用的热力学/动力学数据库必将为多个传统上认为是不同的领域提供高品质的内部一致的数据。
现有的Thermo-Calc 和DICTRA 数据库系统是一套强大且精细的软件系统，简单易学同时可以用于计算各种热化学计算以及一些类型的动力学模拟。
Thermo-Calc系统是由瑞典皇家工学院材料科学与工程系为主开发，它包括了欧共体热化学科学组(SGTE)共同研制的物质和溶液数据库、热力学计算系统(Thermo-Calc)和热力学评估系统(Top)。
Thermo-Calc有Windows版(TCW)和DOS版(TCC)两种版本,均包含有SGTE纯物质数据库、 SGTE溶液数据库、 FEBASE铁基合金数据库等多个数据库，还包括了600多个子程序模块。
Thermo-Calc系统是建立于强大的Gibbs能最小化基础之上、仅有的计算在一个非常复杂的多元不均匀系中有多于5个独立变量的任意相图断面的软件，也有计算很多其它类型图的工具，如CVD沉积、Scheil-Gulliver凝固模拟、Pourbaix图、气体分压等。
Thermo-Calc由多个功能模块组成,各模块间的关系如图所示。
各模块的功能如下:1.SYS:系统模块。
用于Thermo Cal软件各模块的交互转换、宏文件操作等。
2.PARROT:参数优化模块。
根据已有的实验结果或文献数据，建立统一的热力学模型及参数。
3.ED_EXP:PARROT的子模块。
用于编辑实验数据。
4.TDB:热力学数据库模块。
5.GES:吉布斯能量系统模块。
用于热力学模型、数据的处理。
除非使用者能提供新的热力学数据，否则不会用到此模块。
6.TAB:制表模块。
用于热力学数据的表格输出。
材料成形过程模拟仿真
MSC.Marc/Mentat
Mentat是非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，具有一流实体造型功能，全自动网格划分和建模能力，可以直观灵活地定义多种材料模型和边界条件，控制分析过程、递交分析、自动检查模型的完整性，实时监控分析，可视化处理计算结果，并可直接访问常用的CAD/CAE系统。
开放的工程分析框架结构 图形用户界面方便易用 CAD模型直接访问和几何建模 智能化模型处理：可把几何模型上的载荷、边界条件、材料及单元特性转化为有限元信息。 自动有限元建模 完全的分析集成：将多种分析软件技术集成到Patran一个公共环境中，共用一个模型。 数据库不同平台相互兼容 用户化技术：在Patran的框架系统中直接嵌入自行开发的应用程序和功能 结果可视化处理 开放的软件开发环境:全功能的编程语言——PCL
计算材料的成形极限，即保证材料在塑性变形过程中不产生任何表面及内部缺陷的最大变形量可能性。
在未变形体（毛坯）与变形体（产品）之间建立运动学关系，预测塑性成形过程中材料的流动规律，包括应力场、应变场的变化、温度场变化及热传导等。
塑性成型过程数值模拟的必要性
现代制造业的高速发展，对塑性成形工艺分析和模具设计方面提出了更高的要求 。
单击此处添加小标题
随着计算机技术及材料加工过程数值分析技术的快速发展，可以在计算机上模拟材料成型的整个过程，分析各工艺参数对成型的影响，优化设计。
单击此处添加小标题
塑性成形的数值模拟方法
上限法（Upper Bound Method） 用于分析较为简单的准稳态变形问题； 边界元法(Boundary Element Method) 用于模具设计分析和温度计算 ； 有限元法（Finite Element Method） 用于大变形的体积成形和板料成形，变形过程常呈现非稳态，材料的几何形状、边界、材料的性质等都会发生很大的变化。
不锈钢系热力学数据库的建立及其在合金设计中的应用
7 7 V 7 V V 7 MN
V 7 7 V V V V 7 MO
7 77V V
V77 N
7 7 7 V V 7 7 7 7 V NB
7 V V 7 7 7 V 7 7 V V NI
7
7 VV 7V V
VV0
V
V VV 7V V
VV
p
V
7 VV VV 7
7
7 V V 7 V V 7 V V 7 7 V V 7 V SI
其中，液相和端际固溶体相的Gibbs自由能采 用亚正规溶体模型来描述，金属间化合物相的Gibbs 自由能采用亚点阵模型来描述，而气相的Gibbs自 由能采用理想气体模型来描述。
优化ALN的皱以符合最新的形成熔试翊据⑬⑷。 4不锈钢系热力学数据库的计算
本文的最终目标是建立不锈钢的热力学数据
库。渤据库可提供相平衡及热力学性质等多种信息，
316典型成分质量百分比为:w（C）=0.08%, w（Cr）= 17% ,w(Mo) =2.6% ,w(Ni) =12% ,w(Si) =1.0% ,w(P) = 0.045%, w(S)=0.03%,w(Fe)=67.245% 0 Thermo Calc 计
算结果与本数据库计算结果见图5O
0.01%,w(Fe)=83.26%o Thermo Calc 计算结果与本数 据库计算结果见图6。
CALPHAD壮成相图®IW最活跃的领域之一。 文本采用Thermo-Calc热力学CALPHAD计算
软件进行计算，数据库TDB文件为收集公认的使用 频次高的二元、三元数据库合成。以Fe-C-Cr-Ni为 全成分相图，融入以下元素Al-B-Co-Cu-Mg-MnMo-N-Nb-O-P-S-Si-Ti-V-W 的富 Fe-C-Cr-Ni 端 相图,而形成的Fe基热力学相图数据库。此数据库 包含M23C6.M7C3与M6C碳化物，其次考虑A1N、 MnS物相。本数据库在使用当中，还可以添加、更改 与修正热力学参数,具有可扩展性。
热力学软件简介
软件功能： • 软件功能： Ø 查看化合物和溶液数据库中的各种热力学参数； Ø 自定义数据库编辑与保存；
Ø 计算纯物质、混合物或化学反应的各种热力学性能 (H, G, V, S, Cp, A)变化； Ø Ø Ø Ø Ø Ø 等温优势区图计算； 等温Eh-pH图（Pourbaix图）计算； 化学反应达到平衡时各物质的浓度计算； 相图计算； 数据库优化； 计算结果图表处理；
• FScopp-铜合金数据库
u u FSlead-铅合金数据库 FSlite-轻合金数据库
u
u
FSstel-钢铁数据库
FSupsi-超纯硅数据库
u u u
数据库 FSnobl-贵金属数据库
SGnucl-核材料数据库 -合金数据库
u
BINARY-二元免费数据库
3、其他数据库 u u OLI-Systems水溶液数据库 TDNucl- Thermodata核材料数据库
热力学软件简介
•Thermo-Calc •Thermo-Calc Software 是材料开发与研究领域中经验丰富的计 算机模拟软件提供者之一。 • Thermo-Calc Software 最初是由 瑞典皇家理工学院材料科 学与工程系开发出来的， 为了更好的开发并推广热力学计算与扩 散模拟软件， 1997 年相关开发人员在瑞典斯德哥尔摩成立 Thermo-Calc Software 公司。 • Thermo-Calc Software 专注于热力学计算和扩散模拟领域， 并努力为用户提供专业的软件、数据及服务。 • Thermo-Calc 系列软件包括：经典热力学计算软件 TCC （ Thermo-Calc Classic ）、 Windows 版本热力学计算软件 TCW （ Thermo-Calc for Windows ）、扩散模拟软件 DICTRA 、 热力学计算二次开发平台 TC-Interfaces 和材料数据库等。
基于微观偏析统一模型及Thermo-Calc的三元合金凝固路径耦合计算
基于微观偏析统一模型及Thermo-Calc的三元合金凝固路径耦合计算赵光伟;徐达鸣;宋梦华;傅恒志;杜勇;贺跃辉【期刊名称】《金属学报》【年(卷),期】2009(45)8【摘要】将合金凝固微观偏析统一模型推广到三元合金凝固微观偏析的预测,并提出了能够计算三元匀晶与共晶合金凝固路径的数值计算方法.实现了在源代码层次上与热力学计算软件Thermo-Calc及其数据库的耦合,以获取多元合金凝固路径计算所需的凝固热力学数据.通过Fe-40V-40Cr,Al-4.5Cu 1.0Si.Al 10Cu 2.5Mg和Al-1.49Si-0.64Mg(质量分数,%)等多元/多相合金在不同冷速下凝固路径的实例计算,以及与相应的凝固组织定量金相实验结果对比,验证了本文多元/多相凝固模型和算法的正确性.【总页数】8页(P956-963)【关键词】多元/多相凝固路径;微观偏析;Thermo;Calc耦合计算;多元铝合金【作者】赵光伟;徐达鸣;宋梦华;傅恒志;杜勇;贺跃辉【作者单位】哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,先进材料特种凝固加工研究所,哈尔滨150001;中南大学粉末冶金国家重点实验室,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TG224【相关文献】1.合金凝固微观偏析模型化研究进展 [J], 赵光伟;石增敏;叶喜葱;刘文俊2.铁碳合金凝固过程微观溶质偏析模型分析 [J], 雷洪;张红伟;陈宏豫;赫冀成3.基于Thermo-Calc及T-fs-CL耦合方法预测Biot≤O.1的合金凝固路径 [J], 赵光伟;李新中;徐达鸣;郭景杰;傅恒志;杜勇;贺跃辉4.基于Thermo-Calc及T-f_S-C_L耦合方法预测Biot≤0.1的合金凝固路径（英文）[J], 赵光伟;李新中;徐达鸣;郭景杰;傅恒志;杜勇;贺跃辉5.钢液凝固过程中微观偏析和钛氧夹杂生成的耦合模型 [J], 张会全;郑少波;郑庆;刘自立;蒋国昌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于Thermo-Calc及T-f_S-C_L耦合方法预测Biot≤0.1的合金凝固路径（英文）
基于Thermo-Calc及T-f_S-C_L耦合方法预测Biot≤0.1的
合金凝固路径（英文）
赵光伟;李新中;徐达鸣;郭景杰;傅恒志;杜勇;贺跃辉
【期刊名称】《中国有色金属学报：英文版》
【年(卷),期】2012(022)001
【摘要】将二元合金枝晶凝固传输模型及相应的T-fS-CL耦合求解方法扩展到描述多元合金在Biot≤0.1条件下的凝固。
基于提出的扩展模型及算法,提出一种考虑传热影响的预测Biot≤0.1合金凝固路径及微观偏析的方法。
该算法与Thermo-Calc热力学计算软件接口程序TQ6相耦合,用于实时计算每次迭代需要的热力学数据。
Al-2Si-3Mg三元合金实例计算证实提出的模型及算法和凝固路径与微观偏析预测方法的实用性与可靠性,Al-5.17Cu-2.63Si三元合金凝固实验结果与预测结果的取得较好的一致性。
【总页数】8页(P139-146)
【作者】赵光伟;李新中;徐达鸣;郭景杰;傅恒志;杜勇;贺跃辉
【作者单位】^p
【正文语种】中文
【中图分类】TG146
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。