PDF《Z.材料模拟、计算与设计》

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材料模拟、计算与设计 分会主席:赵纪军、刘利民、陈星秋、范晓丽、吕广宏 Z-01 相图、相变及合金设计 杜勇 中南大学粉末冶金国家重点实验室 材料学研究是对组织结构演变规律的不断理解及对组织结构与性能之间量化关系建立的探求过程. 相图和相变是研究材 料结构、性能及应用的重要基础.本文将以轻合金、硬质合金及耐磨涂层为例,介绍研究团队在相图、相变及合金设计领域 取得的主要学术成就:

一、解决了构筑多元多相材料热力学/热物性数据库的系列重要科学问题,建立了国际上迄今最准确的铝合金和硬质合 金的热力学/扩散系数数据库;

耦合有序/无序相变理论、晶体结构及数值分析,国际上首次用一个热力学模型描述多元相的 有序和无序状态;

综合热力学、扩散及晶体结构,引入热力学因子,发现了描述线性化合物扩散生长的新模型,解决了扩散 领域的一个国际难题;

将电镜和三维原子探针等现代检测技术引入含纳米尺度相的相图测定,提高了实测相图的准确性;

构 筑的铝合金、硬质合金热力学/扩散系数数据库己全面替代欧美同期建立的数据库,已有波音、空客、苹果计算机公司、美 国国家标准技术研究院、欧洲 HYDRO 铝业公司等

521 家科研机构用此数据库来设计新材料.

二、 建立了耦合相图计算和相场方法模拟微结构演变的新方法, 国际上首次建立了硬质合金及其耐磨涂层的计算材料工程, 并开发出新型硬质合金及其耐磨涂层 ・建立了考虑扩散、对流及外场的相场模型用于描述结构演变;

耦合相图计算和相变模拟 及TEM/3DAP 等关键实验,描述了凝固和固态相变过程的微结构演变,使微结构定量模拟前进了重要一步;

用所建立的热力 学数据库和计算流体力学同实验相结合实现了 CVD 耐磨涂层制备全过程的结构及性能控制;

・制备的多层 PVD TiAlN/TiAlSiN 纳米/非晶复合涂层刀片具有优良的综合力学性能.理论成果己在我国相关企业实行产业化,产品远销欧美多个个国家. Z-02 铁弹材料畴界的动力学规律及多功能特性研究 丁向东 西安交通大学 畴界工程(domain boundary engineering)是近

10 多年来兴起的一个方向.迄今为止,人们已经在铁性材料的畴界上发 现了一些体材料所不具有的独特性能,如超导行为、高的离子移动能力、二维电子云在界面的聚集、多铁等.铁弹材料畴界 的动力学规律及多功能特性的调控并不清楚.本文通过构建一个简单的势函数,1)建立了铁弹材料孪晶变形动力学行为随温 度变化的统计学规律,发现:孪晶变形塑性阶段的统计学规律不仅满足人们熟悉的孤子运动,而且随着温度升高会从孤子运 动转化为绝热雪崩效应转变,再到中温下的绝热-热激活混合效应,以及高温下的热激活行为,其原因来源于扭折的钉扎与 脱钉扎行为与热激活行为的竞争.而对于孪晶变形屈服阶段,发现由于临界自组织行为的影响,其统计学规律一般满足绝热 雪崩效应.2)提出了通过力场控制铁弹材料的孪晶密度进而调控材料多功能特性的新思路,揭示了多铁材料高频下机械损 耗的本征原因:设计了一些畴界具有新型功能特性的铁弹材料.例如,提出了一种通过对低温铁弹态的铁弹材料施加力场进 而获得密度更高且对温度更为稳定的畴界的方法,为畴界工程的实际应用提供了一条新的思路.又如,通过施加外加应变, 可以调控铁弹材料的内部孪晶结构, 进而影响材料的热物理性能, 例如铁弹材料的热导率会随着外加应变的变化而呈现出和 铁磁材料相似的滞后环,利用该效应可以调控热电材料的性能,并实现热记忆的功能;