材料热力学讲义-15
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材料物理基础材料的热学PPT课件
应用微观粒子运动的 力学定律和统计方法 来研究物质的热性质
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2 材料的热学
热力学概要
• 热力学并不研究热现象的微观本质，只使用一些实验可 观测的宏观物理量(如压强、温度等)来描写宏观体系的 性质。同时，为描写处于各种宏观条件下热力学体系的 性质，热力学还采用诸如内能、熵、自由能等一些新的 物理量。尽管热力学所研究的物理量多少总带有抽象性， 并不象微观理论那样给我们一些直观的物理图像。但热 力学理论的简洁和内在的完美性，往往使我们能够从普 遍原理更清楚地去洞察问题的物理本质。这也是热力学 方法的一大优点。
2 材料的热学
材料的热容、热膨胀、热传导、热辐射等都属于 热学性能，在工程上有许多特殊的要求和广泛的 应用。如用于精密天平、标准尺等材料要求低的 热膨胀系数；电真空封接材料要求一定的热膨胀 系数；热敏元件却要求尽可能高的热膨胀系数。 工业炉衬、建筑材料、以及航天飞行器重返大气 层的隔热材料要求具有优良的绝热性能；燃气轮 机叶片、晶体管散热器等却要求优良的导热性能； 在设计热交换器时，为了计算换热效率，又必须 准确地了解所用材料的导热系数。
• 这实际上是一个循环条件，下图给出了它的一维示意图。把有限晶体首尾相 接，从而就保证了从晶体内任一点出发平移Na后必将返回原处，实际上也 就避开了表面的特殊性。
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3
1 • 2 • N+2 •
4
•
•
N+1
N•
•
N-1 •
•
•
玻恩－卡曼循环边界条件
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m
d 2un dt 2
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玻尔兹曼(Boltzman)最先作出热力 学第二定律的统计解释
《材料的热学》课件
详细描述
热学研究可以帮助提高能源利用效率，减少能源浪费。 例如，通过研究热传导和热辐射性质，可以提高太阳能 电池的转换效率；通过研究热力学性质，可以提高燃料 的燃烧效率。同时，热学研究也有助于环境保护，例如 通过研究废热的回收和利用，可以降低能耗和减少环境 污染。
05
热学实验与测量技术
热学实验设计
需要进一步发展和完善热学的理论模型和 计算方法，以解释和预测实验结果。
多学科交叉
应用前景广阔
热学研究涉及到多个学科领域，需要跨学 科的合作和交流，以推动研究的深入和发 展。
随着科技的发展和社会的进步，热学的应 用前景越来越广阔，如能源、环保、医疗 和信息技术等领域。
对未来发展的展望
加强跨学科合作
鼓励不同学科领域的专家进行合作，共同推 动热学研究的深入和发展。
结果表达
提供实验结果的表达方式，包括图表、表格 和文字描述。
数据分析
根据实验数据，进行深入的分析和解释，以 得出材料的热学性质和规律。
结果讨论
对实验结果进行讨论和解释，包括结果的合 理性和可靠性分析。
06
未来展望与挑战
热学研究的前沿领域
量子热学
研究量子力学在热现象中的应用，探 索微观尺度下的热行为和热信息传递 。
要点二
详细描述
了解材料的热膨胀和热传导性质可以帮助工程师在设计时 预测和控制材料在不同温度下的行为，从而优化其性能。 例如，在高温炉中使用的耐火材料，通过了解其热膨胀和 热传导性质，可以设计出更耐高温、更隔热的炉衬，提高 炉子的使用效率和安全性。
能源利用与环境保护
总结词
热学在能源利用和环境保护方面具有重要应用，可以帮 助实现节能减排和可持续发展。
材料热力学
四、状态方程
体系状态函数（热力学变量）之间的定量关 系式称为状态方程（state equation ）。
一定量的单组分（或定组成）均匀体系，状态
函数T、p、V 之间有一定量的联系。经验证明，只
有两个是独立的。它们的函数关系可表示为： T=f（p,V） p=f（T,V） V=f（p,T）
例如， pV nRT （理想气体状态方程）
2、力学平衡（mechanical equilibrium） 系统各部的压力都相等，边界不再移动。如 有刚性壁存在，虽双方压力不等，但也能保持力 学平衡
3、相平衡（phase equilibrium） 多相共存时，各相的组成和数量不随时间而改变
4、化学平衡（chemical equilibrium ） 反应系统中各物的数量不再随时间而改变
Ⅱ
B
Ⅰ
A
Ⅲ
系统变化框图
解： 途径Ⅰ Q1 100J W1 50J
①由A态到B态
UA-B Q1 W1 100J+50J= 50J
若沿途经Ⅱ由A态到B态 W2 80J
U Q2 W2
Q2 30J
②沿途经Ⅲ由B态到A态 UB-A UA-B 50J
UB-A Q3 W3
Q3 0
问题1：热力学第一定律告诉我们，因为能量不能无中 生有，所以一个系统若要对外做功，必须从外界吸收 热量。（ × ）
§1.7 热容 §1.8 相变过程
§1.1 热力学概论
一、热力学的基本内容 二、热力学方法特点
一、热力学的基本内容
• 研究宏观系统的热与其他形式能量之间的相互 转换关系及其转换过程中所遵循的规律；
• 热力学共有四个基本定律：第零、第一、第二、 第三定律，都是人类经验的总结。第一、第二定 律是热力学的主要基础。 • 材料热力学是用热力学基本原理研究材料中各种 物理和化学现象。 • 根据第一定律计算变化过程中的能量变化， 根据第二定律判断变化的方向和限度。
材料热力学 ppt课件
相变）、无核相变（连续相变）。
ppt课件
6
4.1 新相的形成和相变驱动力 4.2 马氏体相变热力学 4.3 珠光体转变（共析分解）热力学 4.4 脱溶分解热力学 4.5 调幅（Spinodal）分解热力学
ppt课件
7
4.1 新相的形成和相变驱动力
4.1.1 新相的形成
材料发生相变时，在形成新相前往往出现浓度起伏， 形成核胚再成为核心、长大。无论核胚是稳定相还是 亚稳相，只要符合热力学条件都可能成核长大。因此， 相变中可能出现一系列亚稳定的新相。
材料热力学
第四章 相变热力学 / 第五章 界面热力学
ppt课件
1
参考书目
徐祖耀 主编，材料热力学，高等教育出版社， 2009.
赵乃勤 主编，合金固态相变，中南大学出版社， 2008.
江伯鸿 编著，材料热力学，上海交通大学出版社， 1999.
徐瑞等 主编，材料热力学与动力学，哈尔滨工业 大学出版社，2003.
基本内容：
计算相变驱动力，以相变驱动力大小决定相 变的倾向，帮助判定相变机制，在能够估算临 界相变驱动力的条件下，可求得相变的临界温 度。相变驱动力与相变阻力的平衡。
ppt课件
5
相变的分类：
1. 按热力学分类：一级相变、二级相变…… 2. 按原子迁移特征分类（固态相变）：扩散型
相变、无扩散型相变。 3. 按相变方式分类：形核-长大型相变（不连续
匀形核，因此所需的过冷度也小。
ppt课件
第四章 相变热力15 学
4.2 马氏体相变热力学
4.2.1 马氏体相变
高碳钢经淬火发生了马氏体相变，获得马氏体显 微组织，具有很高的硬度，但塑性较差。
马氏体相变是钢件热处理强化的主要手段，要求 高强度的钢都是通过淬火来实现。
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4.1 新相的形成和相变驱动力 4.2 马氏体相变热力学 4.3 珠光体转变（共析分解）热力学 4.4 脱溶分解热力学 4.5 调幅（Spinodal）分解热力学
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4.1 新相的形成和相变驱动力
4.1.1 新相的形成
材料发生相变时，在形成新相前往往出现浓度起伏， 形成核胚再成为核心、长大。无论核胚是稳定相还是 亚稳相，只要符合热力学条件都可能成核长大。因此， 相变中可能出现一系列亚稳定的新相。
材料热力学
第四章 相变热力学 / 第五章 界面热力学
ppt课件
1
参考书目
徐祖耀 主编，材料热力学，高等教育出版社， 2009.
赵乃勤 主编，合金固态相变，中南大学出版社， 2008.
江伯鸿 编著，材料热力学，上海交通大学出版社， 1999.
徐瑞等 主编，材料热力学与动力学，哈尔滨工业 大学出版社，2003.
基本内容：
计算相变驱动力，以相变驱动力大小决定相 变的倾向，帮助判定相变机制，在能够估算临 界相变驱动力的条件下，可求得相变的临界温 度。相变驱动力与相变阻力的平衡。
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5
相变的分类：
1. 按热力学分类：一级相变、二级相变…… 2. 按原子迁移特征分类（固态相变）：扩散型
相变、无扩散型相变。 3. 按相变方式分类：形核-长大型相变（不连续
匀形核，因此所需的过冷度也小。
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第四章 相变热力15 学
4.2 马氏体相变热力学
4.2.1 马氏体相变
高碳钢经淬火发生了马氏体相变，获得马氏体显 微组织，具有很高的硬度，但塑性较差。
马氏体相变是钢件热处理强化的主要手段，要求 高强度的钢都是通过淬火来实现。
材料热力学全套教学课件
1.1 热力学第一定律
(the first law of thermodynamics )
Q U W Q dU W
一般把非热力的交互作用归入到功中热力学 第一定律是能量守恒与转换定律在热力学中 的应用，它确定了热力过程中各种能量在数 量上的相互关系。
1.2 状态函数和全微分
状态函数(state function ) 状态函数的微小变化可用全微分表示
T ', p'时，G G , ?
S
T Tf ,Gs Gl
L
G0-H0298
T Tb , Gl G g
G S 0
G
T p
2G T 2
p
S T
p
Cp T
0
Tf
Tb T
5.1 吉布斯自由能函数2
T T , G G
H T S H T S
H H T S S
du TdS pdV
TdS
CV
dT
T
u uT,V
p T
V
dV
du
CV dT
T
p T
V
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u V
T
T
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V
nRT V1 dV nRT ln V1
V V1 V2
V1 V2
S1
S2
Q T
nR ln
V1 V1 V2
S
S2
S1
材料化学热力学课件
详细描述
熵的大小与系统的微观状态数目成正比，当系统从有序向无序转变时，熵会增加。在材料化学热力学中，熵是描 述系统平衡态的重要参数，对于化学反应的方向和平衡常数具有决定性作用。
焓
总结词
焓是表示物质能量的物理量，包括内能和压力势能等。
详细描述
焓的大小与物质的种类和状态密切相关，对于化学反应而言，焓的变化会影响反应的能量变化。在材 料化学热力学中，焓是描述系统能量状态的重要参数，对于化学反应的能量平衡具有重要影响。
详细描述
在高温高压环境下，物质的热力学性质会发生显著变 化，如相变、化学反应等。这需要研究者发展更为精 确的热力学模型和实验技术，以适应极端条件下的研 究需求。
新型测量技术的发展
总结词
随着科技的发展，新型测量技术为材料化学热力学提供 了更准确、更便捷的实验手段。
详细描述
新型测量技术如原子力显微镜、光电子能谱、核磁共振 等，能够提供高分辨率和高灵敏度的热力学参数测量。 这些技术的发展将有助于推动材料化学热力学研究的深 入和广泛应用。
材料化学热力学课件
目
CONTENCT
录
• 材料化学热力学基础 • 材料化学热力学中的重要参数 • 材料化学热力学的应用 • 材料化学热力学的实验方法 • 材料化学热力学的挑战与未来发展
01
材料化学热力学基础
定义与概念
定义
材料化学热力学是研究在等温、等压条件下，材料化学反应中能 量转化和物质转变的规律的科学。
热力学第二定律
总结词
揭示了自然发生的反应总是向着熵增加的方向进行，即向着更加混乱无序的状态发展。
详细描述
热力学第二定律指出，自然发生的反应总是向着熵增加的方向进行。熵是一个衡量系统 无序度的物理量，代表着系统的混乱程度。在材料化学反应中，这一规律表现为自发反 应总是向着物质状态更为混乱、能量更为分散的方向进行。这一原理对于理解材料化学
熵的大小与系统的微观状态数目成正比，当系统从有序向无序转变时，熵会增加。在材料化学热力学中，熵是描 述系统平衡态的重要参数，对于化学反应的方向和平衡常数具有决定性作用。
焓
总结词
焓是表示物质能量的物理量，包括内能和压力势能等。
详细描述
焓的大小与物质的种类和状态密切相关，对于化学反应而言，焓的变化会影响反应的能量变化。在材 料化学热力学中，焓是描述系统能量状态的重要参数，对于化学反应的能量平衡具有重要影响。
详细描述
在高温高压环境下，物质的热力学性质会发生显著变 化，如相变、化学反应等。这需要研究者发展更为精 确的热力学模型和实验技术，以适应极端条件下的研 究需求。
新型测量技术的发展
总结词
随着科技的发展，新型测量技术为材料化学热力学提供 了更准确、更便捷的实验手段。
详细描述
新型测量技术如原子力显微镜、光电子能谱、核磁共振 等，能够提供高分辨率和高灵敏度的热力学参数测量。 这些技术的发展将有助于推动材料化学热力学研究的深 入和广泛应用。
材料化学热力学课件
目
CONTENCT
录
• 材料化学热力学基础 • 材料化学热力学中的重要参数 • 材料化学热力学的应用 • 材料化学热力学的实验方法 • 材料化学热力学的挑战与未来发展
01
材料化学热力学基础
定义与概念
定义
材料化学热力学是研究在等温、等压条件下，材料化学反应中能 量转化和物质转变的规律的科学。
热力学第二定律
总结词
揭示了自然发生的反应总是向着熵增加的方向进行，即向着更加混乱无序的状态发展。
详细描述
热力学第二定律指出，自然发生的反应总是向着熵增加的方向进行。熵是一个衡量系统 无序度的物理量，代表着系统的混乱程度。在材料化学反应中，这一规律表现为自发反 应总是向着物质状态更为混乱、能量更为分散的方向进行。这一原理对于理解材料化学
物化材料156热力学基础PPT课件
所以 dH TdS Vdp
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(3) dA SdT pdV
因为 A U TS dA dU TdS SdT dU TdS pdV
所以
dA SdT pdV
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(4) dG SdT Vdp
因为 G H TS dG dH TdS SdT dH TdS Vdp
变化的方向和平衡条件
(1)熵判据 熵判据在所有判据中处于特殊地位，因为所
有判断反应方向和达到平衡的不等式都是 由熵的Clausius不等式引入的。但由于熵判
据用于隔离体系（保持U，V不变），要考
虑环境的熵变，使用不太方便。
" "表示可逆，平衡 (dS )U ,V 0 " "表示不可逆，自发
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所以
dG SdT Vdp
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从基本公式导出的关系式
(1) dU TdS pdV
(3) dA SdT pdV
(2) dH TdS Vdp
(4) dG SdT Vdp
从公式(1)，(2)导出
T
(
U S
)V
(
H S
)
p
从公式(1)，(3)导出
V
(
H p
)
S
(
G p
)T
H U pV
H Qp (dp 0,Wf 0)
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(2)Helmholz 函数变定义式。在等温、可逆条 件下，它的降低值等于体系所作的最大功。
A U TS
A Wmax
(dT 0,可逆）
(3)Gibbs 函数变定义式。在等温、等压、可
逆条件下，它的降低值等于体系所作最大
材料热力学PPT精品课件
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孤立体系的能量守恒
与外界无物质交换 无能量交换 无任何交换 完全孤立
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热力学第一定律
做功和热传导可改变体系的内能
U Q W
ΔU内能的变化，Q热传导的能量(热量)，体系吸热为正，放热为负，W为 功，环境对体系做功为正值，体系对环境做功为负值。
微分形式为 dU Q W 只有体积功时，W - PdV 体积增大时，体系对外做功，功为负值
对于一定物质量的纯物质，可直接观测的三个热力学函数，温 度(T)，压强(P)，体积(V)完全确定物质的状态
T，V，P不是独立变量
PV=nRT（理想气体）
实际气体、液体、固体不知道方程 的具体形式，但存在状态方程
V=V(T, P) T=T(V, P) P=P(T, V)
T，V，P只有2个是独立的
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0 0 100 200 300 400 500 600
Temperature (K)
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焓
焓(H)的定义： H U PV
尽管H的直观物理意义并不明确，它能简化计算
dH dU d(PV ) Q- PdV d(PV ) Q VdP
等压条件下 dH Q
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U
CP
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建立在4个定律和‘简单的数学’之上
0th 定律 → 温度
1st 定律 → 能量
2nd定律 → 熵
3rd 定律 → 熵
一种描述和理解世界的新方法
不需要大学物理基础
简单而深刻
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状态函数
状态：如物质的数量，温度，压强，体积都确定，则该 物质处于一定的状态。 状态一定，所有性质都有确定值。
高中物理竞赛-热力学讲义(含例题)
高中物理竞赛-热力学讲义一、理想气体1、理想气体宏观定义：严格遵守气体实验定律的气体。
微观特征：a 、分子本身的大小比起它们的间距可以忽略，分子不计重力势能；b 、除了短暂的碰撞过程外，分子间的相互作用可以忽略——意味着不计分子势能；c 、分子间的碰撞完全是弹性的。
*理想气体是一种理想模型，是实际气体在某些条件约束下的近似，如果这些条件不满足，我们称之为实际气体，如果条件满足不是很好，我们还可以用其它的模型去归纳，如范德瓦尔斯气体、昂尼斯气体等。
2、气体实验三定律在压强不太大，温度不太低的条件下，气体的状态变化遵从以下三个实验定律 a 、玻意耳-马略特定律：一定质量气体温度不变时，P 1V 1 = P 2V 2或PV = 恒量 b 、查理定律：一定质量气体体积不变时，11T P = 22T P 或T P= 恒量c 、盖·吕萨克定律：一定质量气体压强不变时，11T V = 22T V 或T V= 恒量3、理想气体状态方程：一定质量的理想气体，111T V P = 222T V P 或T PV= 恒量理想气体状态方程可以由三个试验定律推出，也可以由理想气体的压强微观解释和温度微观解释推导得出。
a 、推论1：111T P ρ = 222T Pρ，此结论成功地突破了“质量一定”的条件约束，对解某些特殊问题非常有效。
b 、克拉珀龙方程：原方程中，将“恒量”定量表达出来就成为PV = νRT ，其中ν为气体的摩尔数，这个结论被成为克拉珀龙方程。
它的优点是能使本来针对过程适用的方程可以应用到某个单一的状态。
c 、推论2：气体混合（或分开）时，111T V P + 222T VP + … + n nn T V P ⇔TPV，这个推论很容易由克拉珀龙方程导出。
d 、道尔顿分压定律：当有n 种混合气体混合在一个容器中时，它们产生的压强等于每一种气体单独充在这个容器中时所产生的压强之和。
即 P = P 1 + P 2 + P 3 + … + P n二、分子动理论1、物质是由大量分子组成的（注意分子体积和分子所占据空间的区别）2、物质内的分子永不停息地作无规则运动固体分子在平衡位置附近做微小振动（振幅数量级为0.1A 0），少数可以脱离平衡位置运动。
《材料的热学》课件
2 热力学第一定律的应用
解释能量转换与热能利用的科学原理。
热力学第二定律
1 热力学第二定律的表
述
在孤立系统中，不断增 加，不可逆过程不能自发 发生。
2 卡诺循环
理想的热机循环，能实现 最高效率的理论。
3 热力学第二定律的应
用
解释自然界中各种能量转 化的局限性。
热力学第三定律
1 熵的概念
研究系统无序程度的物理量。
的方向密切相关。
热力学循环
1 标准热力学循环
由一系列变化组成的最基本的热力学过程。
2 常见的热力学循环
卡诺循环、斯特林循环、奥托循环、布雷顿循环等。
结束语
1 热力学的理论与应用
为科学探索和工程实践提供了重要的基础。
2 热力学的未来发展
与材料科学、能源领域等关联紧密，将有更广阔的应用前景。
热量
能量的传递形式，使物体温度发生变化。
热力学功
系统与外界交换的能量。
热平衡与热传递
1 热平衡的条件
物体间热量的传递达到稳 定状态，没有净热量的交 换。
2 热平衡的稳定性
系统达到热平衡后，微小 扰动不会导致系统温度变 化。
3 热传递的方式
热传导、热对流、热辐射。
热力学第一定律
1 定与表述
能量守恒定律，能量既不能创造也不能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
《材料的热学》PPT课件
欢迎来到《材料的热学》PPT课件。本课程将为您介绍热力学的基本概念、定 律和参数，以及热平衡、热传递、热力学循环等内容，让您深入了解材料的 热学。
概述
• 热力学的基本概念 • 热力学的三大定律
热力学基本参数
温度
衡量物体热运动强度的物理量。
解释能量转换与热能利用的科学原理。
热力学第二定律
1 热力学第二定律的表
述
在孤立系统中，不断增 加，不可逆过程不能自发 发生。
2 卡诺循环
理想的热机循环，能实现 最高效率的理论。
3 热力学第二定律的应
用
解释自然界中各种能量转 化的局限性。
热力学第三定律
1 熵的概念
研究系统无序程度的物理量。
的方向密切相关。
热力学循环
1 标准热力学循环
由一系列变化组成的最基本的热力学过程。
2 常见的热力学循环
卡诺循环、斯特林循环、奥托循环、布雷顿循环等。
结束语
1 热力学的理论与应用
为科学探索和工程实践提供了重要的基础。
2 热力学的未来发展
与材料科学、能源领域等关联紧密，将有更广阔的应用前景。
热量
能量的传递形式，使物体温度发生变化。
热力学功
系统与外界交换的能量。
热平衡与热传递
1 热平衡的条件
物体间热量的传递达到稳 定状态，没有净热量的交 换。
2 热平衡的稳定性
系统达到热平衡后，微小 扰动不会导致系统温度变 化。
3 热传递的方式
热传导、热对流、热辐射。
热力学第一定律
1 定与表述
能量守恒定律，能量既不能创造也不能消失，只能从一种形式转化为另一种形式。
《材料的热学》PPT课件
欢迎来到《材料的热学》PPT课件。本课程将为您介绍热力学的基本概念、定 律和参数，以及热平衡、热传递、热力学循环等内容，让您深入了解材料的 热学。
概述
• 热力学的基本概念 • 热力学的三大定律
热力学基本参数
温度
衡量物体热运动强度的物理量。
第七章_材料热力学
W
N !n!
=1
无空位时的微观组态数：W
0
S Boltzman 方程：
K lnW
S V K lnW V
S0 0
V
S S S k ln W
V 0
ln( N !) N ln N N
S K N n ln( N n) N ln N n ln n N n K N ln n ln N n N n
For equilibrium coexistence of multiple phases then the above conditions are met and the phases have equal stabilities.
Phase Equilibria
• • If the system is isolated that the internal energy is a minimum at equilibrium. U If the pressure is constant and the system is closed and thermally insulated that enthalpy is a minimum at equilibrium. H Likewise, the Helmholtz free energy is a minimum at equilibrium for systems where the temperature is constant, and the system walls are rigid and impermeable. F For a closed system at constant temperature and pressure we know that the Gibbs free energy is a minimum at equilibrium. G
材料热力学课件
不可逆过程与可逆过程
不可逆过程
在热力学过程中，如果系统和外界的变化不能通过无穷小的改变而互相抵消，则称该过程为不可逆过程。不可 逆过程总是伴随着能量的耗散和熵的增加。
可逆过程
在热力学过程中，如果系统和外界的变化可以通过无穷小的改变而互相抵消，使得系统能够沿着相反的方向进 行并恢复原状，则称该过程为可逆过程。可逆过程是理想化的过程，实际中很难实现。
热力学第一定律表达式
ΔU=Q-W，其中ΔU为系统内能的变 化，Q为系统吸收的热量，W为系统 对外所做的功。
热力学第二定律
热力学第二定律的表述
不可能从单一热源取热，使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；或不可 能使热量由低温物体传递到高温物体，而不引起其他变化。
熵增原理
在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小。
高温超导材料的相变与热力学性质
01
研究高温超导材料在不同温度、压力下的相变行为，以及相变
过程中的热力学性质变化。
热力学模型与计算
02
建立适用于高温超导材料的热力学模型，通过计算预测材料的
热力学性质和行为。
热稳定性与热力学性能优化
03
研究高温超导材料的热稳定性，探索提高材料热力学性能的途
径和方法。
纳米材料热力学
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热力学模拟计算方法
分子动力学模拟
通过计算机模拟原子或分子的运 动过程，研究材料的热力学性质
和相变行为。
蒙特卡罗模拟
利用随机数进行抽样计算，模拟 材料的热力学过程和相变现象。
第一性原理计算
基于量子力学理论，通过计算材 料的电子结构和能量状态，预测
材料的热力学性质。
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Mole e Fraction of Phases
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
fcc () Nimonic 263
Liquidus Solidus S lid o o 1324 C 1380 C
fcc ()
Liquid
Temperature, ºC
MC 0.0 750 919 400 600 800 1000 1200 14001600
TEMPERATURE_CELSIUS
’
3
7/27/2012
Introduction to Ni-based Superalloys
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 M OLE_FRACTION AL
Calculation of phase compositions in multicomponent alloys
5
7/27/2012
Example: Nimonic 263
80 70 Ni 80 70 Ni
Composition, at.%
50 40 30 20 10 0 400 Cr Ti
Computational Design of Materials GTD262
Successful ICME example:
4 years from concept to production
GTD222
GTD262
2X creep strength ↑ Ta replacement by Nb: cost ↓ Computational design: validated with only one set of 4 alloys. Now widely used in GE gas turbines
The National Academies Press, Washington, D.C., 2012
8
7/27/2012
Specific heat capacity
H Cp T P
THERMO-CALC (2010.10.03:14.58) : DATABASE:USER P=1.01325E5, N=1; 2400 2200 2000 TEMPERA ATURE_CELSIUS 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 MOLE_FRACTION SI
TEMPERATURE_CELSIUS
Molar Volume
Fe-0.4 wt%C
THERMO-CALC (2011.10.11:13.16) : DATABASE:TCFE5 P=1E5, N=1., W(C)=4E-3; 82
80 0.8 78 0.6 0.4 0.2 0 500 1000 1500 2000 TEMPERATURE_CELSIUS 0
4
7/27/2012
Example: Nimonic 263:
1000 Temperature, oC 900 800 700 600
20°C from expt.
Liquid
Nimonic 263 + MC ’+ M23C6 ’-start
’ + ’
No ’
Mole Fraction of f Phases
Measured Time to Fail (h)
Measured Time to Fail (h)
Ta: a critical refractory element that is subjected to
high risks of supply and price disruptions
7
7/27/2012
957 C
o
0.3 0.2 0.1
’ M23C6
Temperature, oC
Introduction to Ni-based Superalloys
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 M OLE_FRACTION AL
Temperature, ºC
2
7/27/2012
Phase Fraction vs. Temperature Diagram
L+Co2Al9 L+Co Al 4 12 fcc(Al) +Co2Al9 1.0 L
1.0
Mole e fraction of phases
0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400
fcc () Nimonic 263
Solidus 1324oC
Liquidus 1380oC
fcc ()
Liquid
’+ M23C6 ’+ ’-finish
0.6 0.5 0.4 0.3 0.1
’-start
-2 -1 0 1 2 3
-start
4 5
0.2
ห้องสมุดไป่ตู้
’
M23C6
957oC
MC
10 10 10 10 10 10 10 10 10 Time, hrs
6
0.0 750 919 400 600 800 1000 1200 14001600
Temperature, oC Thermo-CalcTM + Ni-database
Nimonic 263: Ni-20Co-20 Cr-6Mo-2 Ti-0.5Al-0.6Fe-0.06C (w/o)
0.3 0.2 M23C6 0.1 MC 0.0 400 600 800 1000 1200 1400 1600
’
Temperature, oC
Thermodynamics allows prediction of metastability
Example: Nimonic 263
60 50 Ti C 70 60 Cr
Example: Ti-Si
THERMO-CALC (2010.10.03:15.06) : DATABASE:USER X(TI)=0.75, P=1.01325E5, N=1; 45 HEAT CAPACITY Y OF SILICIDES(J/MOL/K)
40
35
30
25
20 -500 0 500 1000 1500 2000 2500
2 1 4 4
THERMO-CALC (2011.10.11:13.21) : DATABASE:TCFE5 P=1E5, N=1 P=1E5 N=1., W(C)=4E-3; 3 3 1 13 1.0
4
1:T-273.15,NP(BCC_A2) 2:T-273.15,NP(GRAPHITE) 3:T-273.15,NP(FCC_A1) 4:T-273.15,NP(LIQUID)
6
7/27/2012
Volume fractions of phases important
Regression-based prediction of creep strength in Ni-base superalloys Volume fraction not included
Predicted Time to Fail (h)
100 Predicted Time to Fail (h) P
100
Volume fraction included
10
10
1
1
0.1 0.1 1
Regression done using only alloy chemistry 10 100
0.1 0.1 1
Regression done using alloy chemistry and predicted ' volume fraction 10 100
1100
1.0
0.9 0.8
fcc ()
’+
’-finish
07 0.7 0.6 0.5 0.4
fcc ()
-phase suspended
Calculation with
-start
2 1 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Time, hrs
Al Co 600 700 800 900
Composition, at.%
60
60 50 40 30 20 10 0 400 500 600 700 800 900 Al Co Ti
’
Cr
500
Temperature, oC
Temperature, oC
’:
Calculated ’ So olvus (°C)
1400
Caron & Khan Dharwadkar Henry Sponseller
1300
1200
1100
1000
900 900
1000
1100
1200
1300
1400
Measured ’ Solvus (°C)
• 75 cases tested (51 GE + 24 literature) • Good agreement with measured values: (Stdev = 25 ºC)