• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      高性能鈦合金的關(guān)鍵“基因”及高通量實驗與計算技術(shù)的應(yīng)用

      2018-05-14 02:24:32孫巧艷劉立斌胡青苗
      中國材料進(jìn)展 2018年4期
      關(guān)鍵詞:高通量微觀韌性

      孫巧艷,杜 勇,劉立斌,胡青苗,肖 林,孫 軍

      (1.西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國家重點實驗室,陜西 西安 710049)(2.中南大學(xué) 粉末冶金國家重點實驗室,湖南 長沙 410083)(3.中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽材料科學(xué)國家實驗室,遼寧 沈陽 110016)

      1 前 言

      人類進(jìn)入20世紀(jì)以來,科學(xué)技術(shù)以前所未有的速度蓬勃發(fā)展。尤其是20世紀(jì)中葉及后期,電子計算機(jī)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)不斷進(jìn)步,促使計算機(jī)的性能每18~24個月提升一倍,并保持價格不變(即摩爾定律)。計算機(jī)的普及對研究人員來講是莫大的福音,計算機(jī)的高速運(yùn)算(每秒億萬次的計算速度)將科研人員從枯燥、重復(fù)、耗時的計算中解脫出來,同時極大地提高了效率和準(zhǔn)確性,這為執(zhí)行需要大量計算的科研任務(wù)提供了技術(shù)支撐。基于此,1985年美國能源部提出“人類基因組計劃”(human genome project, HGP)草案,經(jīng)過5年的討論和論證,于1990年開始執(zhí)行,由美國、德國、日本、英國、法國、中國等6個國家的科學(xué)家共同完成。人類基因組計劃的核心任務(wù)是利用第一代基因測序技術(shù),檢測人體約2.5萬個基因中30億個堿基對組成的核苷酸序列、人類基因的鑒定、人類基因組研究技術(shù)與信息系統(tǒng)等建立等方面,明確所有基因的結(jié)構(gòu)和功能,為人類疾病的預(yù)防和診治提供科學(xué)依據(jù),更好地認(rèn)識和保護(hù)生命體。人類基因組計劃歷時16年(1990~2006),確定了人類基因組的基因圖構(gòu)建和序列,完成了人類1號染色體的基因序列圖,使人類第一次在分子水平認(rèn)識自我。目前科研人員正在探索將基因技術(shù)用于威脅人類健康的重大疾病的治療,比如腫瘤以及各種與基因突變相關(guān)疾病的預(yù)防與治療,期望在人類抵抗疾病的免疫方面能有所突破。同時,近年來DNA技術(shù)已經(jīng)成為刑事案件、兒童拐賣案件偵破的關(guān)鍵技術(shù),在維護(hù)社會安全與穩(wěn)定、保障人民群眾家庭幸福等方面發(fā)揮重要作用。

      實際上我們對材料性能的要求類似于對人的品性與技能的要求。比如,我們希望一個人既有高超的專業(yè)技術(shù),又能與他人很好得溝通協(xié)作,并且具有抵抗挫折的能力,即一個人應(yīng)該具有良好的綜合素質(zhì)。那么一個人從出生后就要經(jīng)歷學(xué)習(xí)和培訓(xùn),以獲得特定的品質(zhì)和技能,最終服務(wù)社會。對于材料(比如金屬結(jié)構(gòu)材料),我們要求合金具有高強(qiáng)度、高塑性、韌性,即材料也要具有良好的綜合性能。另外材料成本不能太高,否則大家用不起。煉鋼廠將鋼水澆鑄成鑄錠(相當(dāng)于人的初生),鑄錠經(jīng)過鍛打、軋制、加工等各種處理,與人接受教育和培訓(xùn)相似,最后實現(xiàn)我們需要的各項性能指標(biāo)。圖1給出材料制備加工與人類成長經(jīng)歷的相似過程。

      鑒于此,美國在2011年率先提出了“材料基因組計劃”(materials genome initiative, GMI),明確提出“將先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)、制造和使用的速度提高一倍”[1]。美國的材料基因組計劃一經(jīng)公布,立即引起了國際廣泛關(guān)注,中國、歐盟、日本、印度等紛紛跟進(jìn),先后提出了各自的材料基因組計劃[2-4]。目前,盡管各國材料基因組計劃的具體名稱有所不同,但是其任務(wù)相似,都是圍繞集成計算工具、實驗工具和數(shù)據(jù)庫來加快材料設(shè)計和應(yīng)用展開。實際上使用的材料多種多樣,比如電子材料、能源材料、生物材料、高性能合金等等,對于每一類材料,需要根據(jù)其具體的使用性能尋求各自的材料基因表達(dá)和內(nèi)涵。

      圖1 材料的制備、應(yīng)用與人成長過程的相似性Fig.1 Similarity between materials and human

      2 合金研發(fā)從傳統(tǒng)的試錯法到高通量設(shè)計的思路與案例

      近年來國內(nèi)外專家和學(xué)者普遍意識到“一代材料、一代裝備”(也有說“一代材料、一代飛機(jī)”),這些都凸顯材料成為高端裝備的關(guān)鍵因素?;仡櫿麄€工業(yè)技術(shù)及材料的發(fā)展和應(yīng)用歷程,新一代材料的研發(fā)確實需要較長周期,這個周期一般需要10年左右的時間。為什么需要這么長的周期呢?因為傳統(tǒng)研發(fā)新材料的方法是試錯法,也就是常說的“炒菜法”。科研人員基于自己的知識和相關(guān)經(jīng)驗積累,配制不同成分的材料(合金),合金元素的選擇和添加就如同廚師炒菜添加調(diào)味料,很大程度上依賴于經(jīng)驗。冶煉合金本身就需要長時間,合金煉好以后,還要經(jīng)過后續(xù)的鍛造、冷加工、熱處理等工藝,最后才能測試合金的各種性能。如果這塊合金性能沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo),那就要調(diào)整合金元素含量和配比,重復(fù)以上過程了。即便材料的性能達(dá)到要求,還要向用戶(設(shè)計人員)推廣和介紹新材料,讓用戶了解新材料;同時還要試車,用新材料代替原材料制造零件,模擬設(shè)備運(yùn)行,檢測新材料是否安全可靠。新材料經(jīng)過這些環(huán)節(jié)考驗合格后,才有可能被設(shè)計人員認(rèn)可和使用。比如,球墨鑄鐵,從發(fā)現(xiàn)到開始應(yīng)用,經(jīng)歷了10年的時間;其他合金研發(fā)周期一般都在10~20年的時間。

      高端裝備制造對高性能材料的需求迫切,尤其是對縮短研發(fā)時間與降低成本的需求,但是新材料研發(fā)有其固有的規(guī)律和時間要求。有什么辦法加快新材料的研發(fā)速度,降低合金的研發(fā)成本呢?答案是肯定的。美國國家研究理事會(NRC)最近發(fā)表的報告《輕質(zhì)化技術(shù)在軍用飛機(jī)、艦船和車輛中的應(yīng)用》中引用了兩個成功的合金設(shè)計實例。一個是由 Olson 領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計、由QuesTek創(chuàng)新公司開發(fā)的Ferrium S53飛機(jī)起落架用鋼[5-6];另一個是GE開發(fā)的燃?xì)鉁u輪機(jī)用GTD262高溫合金[7]。它的設(shè)計和開發(fā)從概念到生產(chǎn)只用了4年時間,研發(fā)所用經(jīng)費(fèi)是以前同類合金的開發(fā)成本的五分之一左右。為什么呢?因為他們在新合金成分設(shè)計時,先通過熱力學(xué)計算搞清楚了合金中的相結(jié)構(gòu),另外,還結(jié)合已有的材料性能模型和數(shù)據(jù)庫,對材料的性能進(jìn)行了預(yù)測。此外,設(shè)計時考慮了合金的可鑄性、可焊性和抗氧化等因素,他們設(shè)計GTD262(一種鎳基高溫合金)的成分一次到位,中試和生產(chǎn)過程中也沒有出現(xiàn)任何問題。這樣避免了以前開發(fā)合金那樣要經(jīng)過幾次來來回回的重復(fù)實驗,因此節(jié)省了近一半的時間,也大大降低了研發(fā)成本。目前,GTD262高溫合金已成功用于航空發(fā)動機(jī)。

      以上兩個新材料設(shè)計和應(yīng)用的成功案例給我們很好的啟發(fā),也就是借助于熱力學(xué)計算和現(xiàn)有的材料性能數(shù)據(jù)的積累與模型,幫助人們加快材料研發(fā)的速度,降低研發(fā)成本。

      3 高性能合金的力學(xué)性能及其關(guān)鍵“基因”

      航空航天工業(yè)的發(fā)展離不開高性能合金,這些合金包括鋁合金、鈦合金和高溫合金(鎳基合金)。鋁合金主要用于飛機(jī)蒙皮、結(jié)構(gòu)件等,主要是室溫和較低溫度下的受力零件;鈦合金主要用于550 ℃及以下溫度、承受較高載荷的零件,高溫合金主要用于航空發(fā)動機(jī)高溫部分零件,比如發(fā)動機(jī)葉片等。這些合金通常稱為結(jié)構(gòu)材料,即用于制造承受力的零件和構(gòu)件的材料。對于結(jié)構(gòu)材料,如果從使用性能方面來講,主要考察其強(qiáng)度、塑性和韌性,高溫合金還要考察高溫下的持久強(qiáng)度、塑性和韌性。強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)材料最重要的性能指標(biāo),它衡量材料抵抗變形和破壞的能力。塑性是材料斷裂前發(fā)生不可恢復(fù)變形的能力,韌性是材料在變形和破壞中吸收外力做功的能力。合金強(qiáng)度高,則意味著在相同尺寸下零件能承受更高的載荷,如果載荷相同,選擇強(qiáng)度高的合金,零件尺寸可以減小,零件自重小;合金韌性好,則意味著材料抵抗損傷能力強(qiáng),即零件中即使有微小裂紋,這個微小裂紋擴(kuò)展很困難,或者這個微小裂紋需要擴(kuò)展較長距離才能引起零件斷裂。韌性好的材料,微小裂紋在構(gòu)件中緩慢擴(kuò)展中就會被檢查到,使人們能夠及時更換零件,保證設(shè)備安全運(yùn)行。因此,產(chǎn)品設(shè)計人員為重要零件選擇材料時,強(qiáng)度和韌性是必須考慮的力學(xué)性能指標(biāo)。

      強(qiáng)化就是提高合金的強(qiáng)度的手段和措施,比如固溶強(qiáng)化、形變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化;韌化就是提高材料的韌性的手段和措施,韌化主要通過合金的微觀組織形貌設(shè)計實現(xiàn)、也可以添加對韌性有益的部分合金元素。合金的塑性與韌性通常呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律,但是,強(qiáng)度與韌性往往是相反的變化規(guī)律,強(qiáng)度和韌性是一對此消彼長的變量。對于同一個合金,提高強(qiáng)度并不困難,提高韌性也不困難,難的是讓強(qiáng)度和韌性同時提高。這是目前合金強(qiáng)化韌化面臨的基礎(chǔ)科學(xué)問題,國際上還沒有很好的辦法解決這個矛盾問題。近幾年,經(jīng)過科研人員的努力,已在某些合金和金屬中取得了一些進(jìn)展和突破,實現(xiàn)了合金的強(qiáng)度和塑性的同時提高。這些方法和措施比較適合具體成分和組織或者工藝,還難以推廣到其他合金。

      如何理解高性能合金的強(qiáng)度與韌性的基因呢?合金不存在人類的雙螺旋結(jié)構(gòu)的基因,但是合金的性能與原子結(jié)構(gòu)、成分等關(guān)系類似于人的特性與基因的關(guān)系。比如固溶原子、合金的晶體結(jié)構(gòu)及晶體缺陷、合金中的相結(jié)構(gòu)、合金的微觀組織結(jié)構(gòu),這些因素最后確定了合金的性能(強(qiáng)度與韌性等)。以上每一個因素都是影響合金性能的基因,另外這些因素之間存在特定的關(guān)聯(lián),我們認(rèn)為這些因素有機(jī)地構(gòu)成了合金的基因組。到目前為止,從固溶原子-晶體結(jié)構(gòu)-相結(jié)構(gòu)-微觀組織-力學(xué)性能這條路還未打通,尤其是相結(jié)構(gòu)到力學(xué)性能這一段,還需要大量的工作和數(shù)據(jù)補(bǔ)充。如圖2所示,我們需要每一階段都可以定量、準(zhǔn)確地表達(dá)??蒲泄ぷ髦饕獜淖蟮接?,建立成分、相與組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的定量表征關(guān)系;工程應(yīng)用,則是從右向左,根據(jù)合金的力學(xué)性能要求反推出微觀組織結(jié)構(gòu),進(jìn)而反推出合金的成分。

      合金的性能從源頭來講取決于合金的成分,但是與性能有直接關(guān)系的是相和微觀組織,微觀組織由一種相或者多個相構(gòu)成,相與微觀組織取決于合金成分。什么是合金的相呢?相是物質(zhì)存在的物理狀態(tài)。比如水,有固相、液相和氣相,在一個大氣壓下,零度以下水就是固相(冰),零度~100 °C之間為液相(水),高于100 ℃,水就變成氣相。我們目前使用的工程合金都是固態(tài)物質(zhì),因此合金中的相都是固相。對于合金中的固相一般是固溶體和化合物。固溶體就是固體溶液,一種原子固溶于另一種原子晶體結(jié)構(gòu)中形成的成分均勻的固相;化合物是兩種或者兩種以上元素形成的具有一定原子比的物質(zhì),比如Fe3C、Ni3Al等。對于鈦合金來講,室溫下的固相是α、β相,α是密排六方晶體結(jié)構(gòu),β是

      圖2 材料成分-相/微觀組織-性能的關(guān)系[1]Fig.2 Relationship among composition-phase/microstructure-property of materials[1]

      體心立方晶體結(jié)構(gòu),我們在熔煉鈦合金中加入合金元素,比如Al,V,Mo,Fe,Zr,Nb等,絕大多數(shù)固溶在α和β相中,還有少量形成化合物,比如Ti3Al、Ti5Si3等。室溫下的各種相在熱加工、熱處理過程中通過擴(kuò)散、形核與長大,或單獨存在,或者與其他相組合形成合金的最基本的構(gòu)成單元,即微觀組織的組成物。相與微觀組織是直接影響合金性能的關(guān)鍵因素。

      常用的金屬材料都是晶體,我們使用的金屬材料都是多晶體,一塊金屬由成千上萬個小晶粒組成。研究發(fā)現(xiàn)金屬晶體中存在缺陷,也就是金屬晶體中局部原子排列混亂的區(qū)域,即晶體缺陷。按照空間尺寸大小,晶體缺陷分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。點缺陷是晶體中的空位和固溶原子,線缺陷是位錯,面缺陷是晶界、亞晶界和相界面。這3種缺陷都可以提高合金的強(qiáng)度,比如固溶強(qiáng)化(由固溶原子引起)、加工硬化(位錯數(shù)量增加)和細(xì)晶強(qiáng)化(增加界面數(shù)量)。

      強(qiáng)化的本質(zhì)是什么呢?對于金屬材料來講,強(qiáng)化的本質(zhì)是增加位錯運(yùn)動的阻力。位錯是線缺陷,這是所有金屬材料中最普遍存在的晶體缺陷,對合金的強(qiáng)度和塑性都有重要的影響。位錯在金屬晶體中可以運(yùn)動,位錯的運(yùn)動導(dǎo)致金屬屈服而發(fā)生塑性變形?;谖诲e理論,增加位錯運(yùn)動的阻力的因素可以強(qiáng)化金屬,減低位錯運(yùn)動阻力的因素使金屬的塑性變形更為容易。晶體中缺陷都會增加位錯運(yùn)動的阻力,使位錯運(yùn)動困難,強(qiáng)化效果依據(jù)對位錯阻力大小而定。但是對于金屬來講,位錯運(yùn)動很困難,強(qiáng)度很高,這樣帶來的另一個結(jié)果就是金屬很難發(fā)生塑性變形,無法消耗外力做功。如果我們持續(xù)增加外力,金屬很容易突然斷裂,這對零件安全工作非常有害。對于高性能合金來講,我們需要位錯運(yùn)動有阻力(高強(qiáng)度),必須可以運(yùn)動,適當(dāng)高應(yīng)力作用下運(yùn)動,發(fā)生塑性變形,消耗外力做功,這樣合金才會表現(xiàn)出強(qiáng)度、塑性與韌性的匹配,才是性能優(yōu)良的工程合金??梢姡w缺陷也是決定高性能合金的關(guān)鍵基因。

      4 確定合金“基因”的技術(shù)手段

      人類基因組計劃的實施為材料基因組計劃提供了非常有益的借鑒,即高通量的試驗測試技術(shù)與工具以及高通量的計算方法。材料的微觀組織與相的尺寸在微米到納米尺度,需要高精度的表征設(shè)備。近年來各種先進(jìn)的材料表征、分析技術(shù),尤其是高精度微米和微區(qū)表征設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用(比如高分辨場發(fā)射掃描電鏡、聚焦離子束技術(shù)和飛秒激光技術(shù)等),為快速獲得材料的性能數(shù)據(jù)提供了保證?;诖?,科研人員相繼開發(fā)了高通量測試材料相與組織結(jié)構(gòu)的測試表征技術(shù)[8]。另一方面,計算材料學(xué)近10年有了長足發(fā)展?,F(xiàn)在,科研人員能夠通過高性能計算和計算機(jī)群的并行計算,獲得從材料成分到晶體結(jié)構(gòu)、相以及物質(zhì)的彈性熱容等參數(shù),也能對合金的強(qiáng)化作用給出定性的解釋[9-10]。但是,到目前強(qiáng)度、韌性、塑性都不能直接從合金成分計算出。因此,合金力學(xué)性能數(shù)據(jù)必須依靠試驗測試獲得。

      這里主要介紹幾種用于高性能合金研發(fā)的高通量實驗技術(shù)和計算方法。

      4.1 測試多元合金相圖的擴(kuò)散多元節(jié)方法

      相是合金性能的關(guān)鍵基因之一,如何獲知合金中的相呢?對于具體的合金體系,相的種類和數(shù)量隨著合金元素的改變發(fā)生變化,這就需要對合金中存在的相畫一張地圖,即相圖。相圖一般是二維平面圖,橫軸是成分,縱軸是溫度,平面內(nèi)就是合金體系在特定的溫度、成分下存在的相。可見,相圖是我們設(shè)計合金的重要工具。因此,要獲得一種合金的相圖,我們需要配制一系列成分的合金,然后通過加熱和冷卻測試給定成分合金中的相隨著溫度變化的變化,將一系列成分合金的相的數(shù)據(jù)匯總在一起,就可以繪制出相圖。可見,這種繪制相圖的方法非常耗時,對于任何給定體系合金,需要十幾種甚至上百種成分含量合金的配制和熔煉,然后再測試每一種成分合金的相,非常耗費(fèi)時間。

      合金相圖的繪制有沒有快捷又準(zhǔn)確的方法呢?有!就是擴(kuò)散多元節(jié)方法。擴(kuò)散多元節(jié)法是在二元擴(kuò)散偶的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。圖3a的示意圖給出了Ti-Cr-Ti3Al-Ti2Si擴(kuò)散多元節(jié),圖3b是用擴(kuò)散多元節(jié)中的三元結(jié)處得到的1000 ℃等溫截面圖,圖3c是按照傳統(tǒng)相圖測試方法用100多個試樣測試的1000 ℃的等溫截面圖。圖3b和圖3c給出的物相一致,由此證實了擴(kuò)散多元節(jié)法在相圖繪制方面的可靠性和高效率。

      圖3 擴(kuò)散多元節(jié)法在鈦合金相圖中的應(yīng)用[8]:(a)Ti-Cr-TiAl3-TiSi2擴(kuò)散多元節(jié)示意圖,(b)擴(kuò)散多元節(jié)三元結(jié)處獲得的Ti-Al-Cr 體系1000 ℃等溫截面,(c)從100多個平衡合金中獲得的Ti-Al-Cr體系1000 ℃的等溫截面Fig.3 Application of the diffusion multiples in titanium alloys[8]:(a) the Ti-Cr-TiAl3-TiSi2 diffusion multiples, (b) isothermal section of 1000 ℃ from the diffusion multiples, (c) isothermal section of 1000 ℃ from measuring about 100 samples

      4.2 用于合金組成相的性能測試的高通量技術(shù)

      我們要設(shè)計、研發(fā)高性能合金,僅僅知道合金的組成相還是不夠的,還要獲得這些相的性能特點。在此基礎(chǔ)上,我們才能優(yōu)化合金成分,獲得需要的優(yōu)異性能。如果還是按照傳統(tǒng)思維和方式去配制合金、獲得所需要的相、再測試其性能的話,效率低,耗時長。為了加速高性能合金的研發(fā)速度,需要高通量測試技術(shù)高效獲得合金組成相的性能數(shù)據(jù)庫。什么是高通量測試技術(shù)呢?其含義是高效獲得測試對象的性能數(shù)據(jù)。將上面提到的擴(kuò)散多元節(jié)和高精度微米尺度的測試技術(shù)相結(jié)合,就可以實現(xiàn)合金組成相的性能的高通量測試。擴(kuò)散多元節(jié)隨著成分的變化有不同的相,尺寸在幾十到幾百微米范圍。最近研究人員發(fā)展了飛秒激光測試材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù),在一個擴(kuò)散多元節(jié)上可以測出多個成分和相的性能,結(jié)果與大塊材料的性能數(shù)據(jù)一致,效率提高幾十倍[11-12]。其他性能,包括彈性常數(shù)、居里溫度、比熱容等物理性能都可以用飛秒激光技術(shù)高速確定;還可以測試微尺度相的光學(xué)性質(zhì)、介電常數(shù)、電導(dǎo)率等。比較復(fù)雜的是材料的力學(xué)性能,因為力學(xué)性能測試需要特殊要求的試樣,比如狗骨頭狀的拉伸試樣、具有一定尺寸比懸臂梁試樣等等?,F(xiàn)在已有微米納米力學(xué)測試分析技術(shù),可實現(xiàn)在擴(kuò)散多元節(jié)上不同區(qū)域性能的測試,比如納米壓痕技術(shù)可以測試微米尺度的硬度和模量數(shù)據(jù)。強(qiáng)度的測試需要用聚焦離子束在微米區(qū)域加工柱狀試樣,進(jìn)行壓縮和拉伸或者彎曲,測試合金組成相的強(qiáng)度等數(shù)據(jù)[13-16]。目前韌性還無法通過微區(qū)測試技術(shù)獲得,因為韌性對材料的尺寸要求嚴(yán)格,微米區(qū)域很難滿足試樣韌性測試的需求。

      4.3 合金組成相與性能的高通量計算方法

      計算材料學(xué)的快速發(fā)展為高通量計算提供了技術(shù)和方法的支持。在不同的時間及空間尺度上,有不同的計算方法,如圖4所示。

      第一性原理計算主要用于從成分到晶體結(jié)構(gòu)的計算,還可以計算晶體的一些常數(shù),如彈性常數(shù)、彈性模量、體模量等參數(shù),并對合金的固溶強(qiáng)化效果給出定性的規(guī)律。還有研究人員將第一性原理用于晶體中擴(kuò)散系數(shù)的計算,包括自擴(kuò)散系數(shù)、互擴(kuò)散系數(shù)等,因為擴(kuò)散系數(shù)是研究合金相變(在合金中發(fā)生的一種相變成另一種相的轉(zhuǎn)變) 的重要參數(shù)[17-18]。分子動力學(xué)計算可以給出合金幾個納米到幾十納米尺度的力學(xué)性能、相變過程、晶體缺陷及其運(yùn)動規(guī)律,但是受到計算機(jī)性能的限制,其計算尺寸最大不超過幾百納米。

      圖4 常用計算與模擬方法的空間/時間尺度Fig.4 Space/time scales of computation and simulation methods

      對于高性能合金,相變對其微觀組織影響很大。如何用計算的方法研究相變呢?現(xiàn)在已經(jīng)有了很成熟的方法,就是CALPHAD方法。這個方法主要用于計算多元合金在不同溫度下各個相的成分、體積分?jǐn)?shù)、穩(wěn)定溫度范圍、相變溫度等,還可以計算相場動力學(xué)模擬需要的相變驅(qū)動力、擴(kuò)散過程的熱力學(xué)參數(shù),也用于計算凝固過程的潛熱、比熱、液相溫度、固相溫度等等。CALPHAD方法經(jīng)過長期發(fā)展和完善,已經(jīng)成為國際著名航空發(fā)動機(jī)制造單位與材料研究機(jī)構(gòu)的重要計算工具[8]。

      前面講到,與合金力學(xué)性能直接相關(guān)的是相和微觀組織。那么微觀組織怎么形成的?合金的微觀組織由相構(gòu)成的,合金在溫度變化時發(fā)生相變,相變的結(jié)果就是形成了由生成的相組成特定的微觀形貌的組織結(jié)構(gòu),稱其為微觀組織。微觀組織可以由一個相構(gòu)成,也可以由多個相構(gòu)成,微觀組織可以在顯微鏡下直接觀察到,并呈現(xiàn)一定的形貌,或球形、或者塊狀、或者片狀交替等等。這些微觀組織越細(xì)小,合金的強(qiáng)度與塑性越好,即細(xì)晶強(qiáng)化效果。能不能用計算機(jī)模擬相變和微觀組織呢?答案是肯定的,采用的方法是相場動力學(xué)模擬。相場動力學(xué)模擬基于相變路徑沿最低能量路徑,其優(yōu)點是不需要對合金的初始組織進(jìn)行假設(shè),允許微觀組織形貌變化,可以用于預(yù)測復(fù)雜的微觀組織。最早相場動力學(xué)用來模擬晶粒長大,現(xiàn)在可以模擬復(fù)雜體系相變過程及其微觀組織。有研究人員將晶體缺陷引入相場模擬中,使計算的結(jié)果與實際更為接近。由于相場計算需要大量的熱力學(xué)參數(shù),比如Gibbs自由能、晶格常數(shù)、界面能、各向異性的彈性常數(shù)以及這些性能隨著成分與溫度的變化。這些參數(shù)來源于CALPHAD計算結(jié)果、第一性原理計算或者實驗結(jié)果。實際工程使用的合金均是多元合金,具有復(fù)雜的相組成和微觀組織結(jié)構(gòu),采用單一的計算或者實驗技術(shù)很難準(zhǔn)確描述合金的相變與組織演化,研究人員采用多種計算模擬技術(shù)結(jié)合并與高通量實驗技術(shù)耦合,構(gòu)建了鋁合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫,預(yù)測了鋁合金凝固組織的演化規(guī)律;采用相場模擬計算對鎳基高溫合金的加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,取得了理想的結(jié)果[19-20]。這些可喜的研究進(jìn)展對于高性能鈦合金的研發(fā)具有重要的借鑒作用。

      有限元是工程上應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)值分析方法。隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,在工程領(lǐng)域中,有限元分析(FEA)越來越多地用于仿真模擬,求解真實的工程問題。作為一種求解偏微分方程邊值問題的近似數(shù)值技術(shù),研究者發(fā)現(xiàn)這些偏微分方程可以用來描述流動、電磁場以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等。目前有限元在材料加工方面已經(jīng)得到實際應(yīng)用,其中DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng),用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。研究人員在計算機(jī)上可以模擬金屬、合金的整個加工過程,顯示金屬在加工中的應(yīng)力應(yīng)變分布,幫助工程師和設(shè)計人員選擇合適的加工參數(shù)和模具,顯著提高工模具設(shè)計效率,降低生產(chǎn)和材料成本,并縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。最近有研究者利用有限元方法依靠微觀組織結(jié)構(gòu)來模擬合金性能,以達(dá)到材料微觀組織結(jié)構(gòu)的性能導(dǎo)向型設(shè)計與預(yù)測的目的[21]。這些研究進(jìn)展為高性能鈦合金的快速設(shè)計與加工提供了重要的借鑒作用。

      5 結(jié) 語

      “一代材料、一代裝備”,高性能鈦合金是我國航空航天等領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)材料,其力學(xué)性能(強(qiáng)度、塑性與韌性)是保障構(gòu)件安全可靠性的關(guān)鍵。目前,圍繞“成分—組織—性能”主線,在材料基因組計劃的推動下,研究人員正在采用高通量計算和實驗技術(shù)突破高性能鈦合金研發(fā)的瓶頸,加速新型鈦合金研發(fā)進(jìn)度。盡管目前科技人員還無法準(zhǔn)確計算多相組成合金的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能指標(biāo),但是研究工作已經(jīng)取得了一些積極的結(jié)果。通過第一性原理計算可以構(gòu)建從成分到相的預(yù)測,擴(kuò)散多元節(jié)的高通量實驗方法確定相與成分的關(guān)系,相場動力學(xué)計算可以預(yù)測微觀組織結(jié)構(gòu),將成分與微觀組織結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來,再結(jié)合微區(qū)精確性能測試表征技術(shù)可以獲得合金微觀組織的性能數(shù)據(jù)。對以上各環(huán)節(jié)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合和統(tǒng)一,并基于鈦合金大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展成果,有助于實現(xiàn)提升高性能鈦合金的研發(fā)速度、降低研發(fā)成本。

      參考文獻(xiàn) References

      [1] Zhao Jicheng(趙繼成).ChineseJournalofNature(自然雜志), 2014, 36(2): 89-103.

      [2] Wang Hong(汪 洪),Xiang Yong(向 勇),Xiang Xiaodong(項曉東),etal.Science&TechnologyReview(科技導(dǎo)報). 2015, 33(10): 13-19.

      [3] Li Nannan(李楠楠),Shen Yisun(沈一筍),Zang Liang(臧 亮),etal.MaterialsChina(中國材料進(jìn)展). 2016, 35(2): 156.

      [4] Fan Xiaoli(范曉麗).MaterialsChina(中國材料進(jìn)展),2015, 34(9): 689-697

      [5] Kuehmann C J, Olson G B.MaterSciTechnol[J], 2009, 25: 472-478.

      [6] Olson G B.Science[J], 1997, 277: 1237-1242.

      [7] Jiang L, Zhao J C, Feng G.U.S., 20100135847 [P]. 2010-06-03.

      [8] Zhao Jicheng(趙繼成).ChineseScienceBulletin(科學(xué)通報) [J], 2013, 58(12): 3647-3655.

      [9] Wang Shaoqing(王紹青),Ye Hengqiang(葉恒強(qiáng).)ChineseScienceBulletin(科學(xué)通報)[J], 2013, 58(6): 3623-3632.

      [10] Chen Longqing(陳龍慶).ChineseScienceBulletin(科學(xué)通報) [J], 2013, 58(6): 3638-3641.

      [11] Zheng X, Cahill D G, Weaver R,etal.JApplPhys[J], 2008, 104: 073509.

      [12] Zhao J C.ProgMaterSci[J], 2006, 51: 557-631.

      [13] Uchic M D, Dimiduk D M, Florando J N,etal.Science[J], 2004, 305: 986-989.

      [14] Uchic M D, Dimiduk D M.MaterSciEngA[J], 2005, 400-401: 268-278.

      [15] Kim J Y, Jang D C, Greer R J.ActaMater[J], 2010, 58: 2355-2363.

      [16] Zhang Xingdong(張興東),Liu Libin(劉立斌),Wang Jianli(王建麗),etal.TheChineseJournalofNonferrousMetals(中國有色金屬學(xué)報) [J], 2014, 24: 2836-2843.

      [17] Luo Hubin(羅湖斌),Hu Qingmiao(胡青苗),Yang Rui(楊 銳).TheChineseJournalofNonferrousMetals(中國有色金屬學(xué)報) [J], 2010, 20(s1): 399-343.

      [18] Zhu Linggang(祝令剛),Hu Qingmiao(胡青苗),Yang Rui(楊 銳).TheChineseJournalofNonferrousMetals(中國有色金屬學(xué)報) [J], 2010, 20(s1): 544-549.

      [19] Du Yong(杜 勇), Xu Honghui(徐洪輝), Kong Yi(孔 毅),etal.ChinaMaterials(中國材料進(jìn)展) [J], 2010, 29(6): 28-40.

      [20] Cao Dongjia(曹東甲),Ta Na(塔 娜),Du Yong(杜 勇),etal.ChinaMaterials(中國材料進(jìn)展) [J], 2015, 34(1): 50-63.

      [21] Zhang Weibin(張偉彬),Dong Yu(杜 勇),Peng Yingbiao(彭英彪),etal.MaterialScience&Technology(材料科學(xué)與工藝) [J], 2016, 24(2): 1-28.

      猜你喜歡
      高通量微觀韌性
      數(shù)字有韌性
      高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)漫游關(guān)鍵技術(shù)
      國際太空(2023年1期)2023-02-27 09:03:42
      高通量血液透析臨床研究進(jìn)展
      Ka頻段高通量衛(wèi)星在鐵路通信中的應(yīng)用探討
      房地產(chǎn)市場韌性猶存
      中國外匯(2019年22期)2019-05-21 03:15:08
      韌性,讓成長更美好
      中華家教(2018年11期)2018-12-03 08:08:20
      一種新的結(jié)合面微觀接觸模型
      中國通信衛(wèi)星開啟高通量時代
      笑中帶淚的韌性成長
      特別文摘(2016年15期)2016-08-15 22:04:26
      微觀的山水
      詩選刊(2015年6期)2015-10-26 09:47:10
      莲花县| 高密市| 清河县| 额尔古纳市| 巴林左旗| 汾西县| 隆安县| 浦县| 台前县| 隆昌县| 汤阴县| 汕头市| 浦北县| 聊城市| 浦城县| 井冈山市| 桃园市| 綦江县| 大新县| 金乡县| 松江区| 辽宁省| 体育| 黄陵县| 芦山县| 虞城县| 黄浦区| 沙湾县| 黄石市| 双辽市| 迭部县| 潍坊市| 连州市| 集安市| 平原县| 嘉禾县| 望都县| 玉林市| 荆门市| 永平县| 嘉荫县|