材料設(shè)計(jì)的熱力學(xué)解析

前言

影視藝術(shù)家常稱其作品為“遺憾的藝術(shù)”，大概是指失誤或缺憾一旦產(chǎn)生便很難彌補(bǔ)。其實(shí)，科學(xué)家的結(jié)論才經(jīng)常是“遺憾的”。比如亞里士多德和托勒密稱地球是宇宙中心的結(jié)論曾讓人相信了1500年之久，但很遺憾這是個(gè)錯(cuò)誤結(jié)論；偉大的哥白尼沖破思想禁錮，改變了這個(gè)結(jié)論，稱太陽(yáng)才是宇宙中心，這個(gè)被看作近代科學(xué)最重大事件的結(jié)論也遺憾地并非完全正確；現(xiàn)在的結(jié)論是太陽(yáng)并非宇宙中心，而且究竟哪里是中心已經(jīng)變得不再被一般人關(guān)心?？茖W(xué)和科學(xué)家的魅力正是在于一次次地得出結(jié)論，又一次次地審視、懷疑、再研究進(jìn)而獲得新的結(jié)論，直至窮極真理。哥白尼縝密探索的過程，和勇于打破枷鎖的精神固然令一代代人感動(dòng)；其實(shí)托勒密等致力建立地心說(shuō)的本輪、均輪理論，力求定量揭示自然規(guī)律的不懈努力，同樣也是科學(xué)家的寶貴傳統(tǒng)。 技術(shù)科學(xué)也是如此，每個(gè)重要問題都要經(jīng)過反復(fù)探索才能接近本質(zhì)或真相。例如，金屬材料大都是多晶體，晶粒間界是極重要的存在。那么晶界有多厚呢？人們一直在探索。19世紀(jì)末根據(jù)光學(xué)顯微鏡的觀察曾猜想晶界約有1000個(gè)原子厚；但是到了20世紀(jì)40年代我國(guó)旅美科學(xué)家葛庭燧用他發(fā)明的內(nèi)耗法證明，晶界只有幾個(gè)原子厚。這個(gè)結(jié)論曾使科學(xué)界震驚，后來(lái)為多種方法所證實(shí)。不過到了20世紀(jì)末，納米材料興起。多晶體隨著晶粒尺寸變小，晶界體積分?jǐn)?shù)急劇增大，這時(shí)不能再固守對(duì)常規(guī)材料晶界厚度的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然問題變得更加復(fù)雜，但無(wú)論如何，人們已認(rèn)識(shí)到晶粒接近納米尺度時(shí)，晶界會(huì)明顯變厚。 本書的主要內(nèi)容是作者曾經(jīng)參與研究過的一些與“材料設(shè)計(jì)”和“材料熱力學(xué)”相關(guān)的問題。其中最早的研究已過去20多年，最近的也已有5年多了。本書是一次對(duì)若干感興趣問題的回顧性思考，不僅是簡(jiǎn)單的匯總與整理，還包括了若干新的分析與探究，對(duì)所涉及的問題也做了一些擴(kuò)展。因此也就產(chǎn)生了若干或有一定意義的新認(rèn)識(shí)和新結(jié)論。 例如，在前幾章中重新探討了材料設(shè)計(jì)的4個(gè)階段；分析了磁性轉(zhuǎn)變和有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變的自由能同時(shí)起作用時(shí)，對(duì)高性能永磁材料設(shè)計(jì)的影響；對(duì)塑性變形儲(chǔ)能與亞晶取向之間的聯(lián)系做了熱力學(xué)溝通，探討了兩者間的轉(zhuǎn)變。中間兩章以多元溶解度間隙作為GP區(qū)析出的基本判據(jù)，重新思考了高強(qiáng)Al-Zn-Cu-Mg合金的成分設(shè)計(jì)；提出了Fe-Mn基奧氏體存在高溫和低溫兩種穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)奧氏體型低溫鋼的成分設(shè)計(jì)提出了新設(shè)想。

內(nèi)容概要

　　本書是將“材料設(shè)計(jì)問題”與“材料熱力學(xué)”聯(lián)系起來(lái)處理的一種嘗試，也是一次對(duì)經(jīng)歷過研究問題的回顧性思考。但它不是簡(jiǎn)單的匯總與整理，而是包含了新的分析與探究，對(duì)所涉及的問題也做了相應(yīng)的擴(kuò)展。所以產(chǎn)生了若干有重要意義的新認(rèn)識(shí)和新結(jié)論。
前幾章中探討了材料設(shè)計(jì)的4個(gè)歷史階段；分析了磁性轉(zhuǎn)變和有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變的自由能同時(shí)起作用時(shí)，對(duì)高性能永磁材料設(shè)計(jì)的影響；對(duì)塑性變形儲(chǔ)能與亞晶取向之間的聯(lián)系做了熱力學(xué)溝通，探討了兩者間的轉(zhuǎn)變。中間兩章以多元溶解度?隙作為GP區(qū)析出的基本判據(jù)，重新思考了高強(qiáng)Al-Zn-Cu-Mg合金的成分設(shè)計(jì)；還提出了Fe-Mn基奧氏體存在著高溫和低溫兩種穩(wěn)定性，進(jìn)而對(duì)奧氏體型低溫鋼的成分設(shè)計(jì)提出了新設(shè)想。中間幾章主要涉及Ti合金的熱力學(xué)分析，提出了Ti合金?相穩(wěn)定化參數(shù)的概念，對(duì)TiAl合金中添加微量第三元素時(shí)的?/?兩相平衡進(jìn)行了分析，導(dǎo)出了?相穩(wěn)定化參數(shù)，為定量探討合金化問題準(zhǔn)備了條件；明確提出TiNiNb寬滯后形狀記憶合金設(shè)計(jì)必須離開TiNi-Nb連線，而利用三元(TiNb)-TiNi兩相區(qū)來(lái)拓展材料設(shè)計(jì)的新空間。最后一章研究了合金鋼兩種表面處理的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，通過平衡碳勢(shì)的概念把CDC、TD處理與我國(guó)實(shí)用合金鋼的表面硬化聯(lián)系了起來(lái)。
本書可供材料、冶金和機(jī)械等領(lǐng)域的科研工作者閱讀，也可以作為材料類諸相關(guān)學(xué)科的研究生和高年級(jí)本科生的教學(xué)用書。
讀者對(duì)象: 本書可供材料、冶金和機(jī)械等領(lǐng)域的科研工作者閱讀，也可以作為材料類諸相關(guān)學(xué)科的研究生和高年級(jí)本科生的教學(xué)用書。
　　一級(jí)分類:科技圖書
　　二級(jí)分類:材料
　　三級(jí)分類:材料科學(xué)

書籍目錄

序言 葉恒強(qiáng)
前言
1 緒論
　1.1 合金設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)
　1.2 ?料設(shè)計(jì)的進(jìn)步
　參考文獻(xiàn)
2 永磁材料設(shè)計(jì)的熱力學(xué)解析
　2.1 永磁材料概說(shuō)
　2.2 兩相分離型金屬永磁材料的組織設(shè)計(jì)
　　2.2.1 決定矯頑力的主要因素
　　2.2.2 合金設(shè)計(jì)的組織要素
　　2.2.3 合金設(shè)計(jì)與失穩(wěn)分解
　　2.2.4 永磁材料失穩(wěn)分解的起源
　2.3 兩相分離型組織的熱力學(xué)解析
　　2.3.1 多元系兩相分離組織的熱力學(xué)解析
　　2.3.2 磁性轉(zhuǎn)變對(duì)兩相分離組織的影響
　　2.3.3 有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變對(duì)兩相分離組織的影響
　　2.3.4 實(shí)際Alnico合金中兩相分離組?的熱力學(xué)分析
　參考文獻(xiàn)
3 Cu-Fe-Ni雙相納米材料設(shè)計(jì)的熱力學(xué)解析
　3.1 一種雙相納米材料的設(shè)計(jì)
　3.2 Cu-Fe-Ni系合金相圖的實(shí)驗(yàn)測(cè)定與熱力學(xué)計(jì)算
　　3.2.1 Cu-Fe-Ni系相圖的擴(kuò)散偶法測(cè)定
　　3.2.2 Cu-Fe-Ni系相圖的熱力學(xué)計(jì)算
　　3.2.3 等體積分?jǐn)?shù)合金失穩(wěn)分解的驅(qū)動(dòng)力
　3.3 Cu-Fe-Ni失穩(wěn)分解合金的雙相細(xì)晶組織與性能
　　3.3.1 等體積分?jǐn)?shù)合金的組織學(xué)研究
　　3.3.2 等體積分?jǐn)?shù)合金的失穩(wěn)分解組織及其粗化
　　3.3.3 合金失穩(wěn)分解的硬化效應(yīng)分析
　　3.3.4 塑性變形后合金失穩(wěn)分解硬化效應(yīng)分析
　3.4 Cu-Fe-Ni合金失穩(wěn)分解雙相細(xì)晶組織的控制
　　3.4.1 失穩(wěn)分解組織的形態(tài)與取向控制
　　3.4.2 塑性變形儲(chǔ)能與位錯(cuò)密度
　3.5 Cu-Fe-Ni合金失穩(wěn)分解組織的不連續(xù)粗化
　　3.5.1 不連續(xù)粗化組織的形態(tài)特征
　　3.5.2 不連續(xù)粗化的動(dòng)力學(xué)特征
　　3.5.3 不連續(xù)粗化的力學(xué)性能特征
　　3.5.4 不連續(xù)粗化的激活能
　　3.5.5 等軸細(xì)晶雙相組織
　3.6 具有失穩(wěn)分解組織的Hall-Petch關(guān)系
　　3.6.1 Cu45Fe25Ni30單相合金的再結(jié)晶
　　3.6.2 細(xì)晶強(qiáng)化與失穩(wěn)分解強(qiáng)化
　參考文獻(xiàn)
4 Al-Zn-Mg-Cu系合金設(shè)計(jì)的熱力學(xué)問題
　4.1 Al-M二元合金的固態(tài)Al端溶解度
　　4.1.1 純?cè)卦贏l固溶體中的溶解度
　　4.1.2 化合物形成元素在Al固溶體中的溶解度
　　4.1.3 Al固溶體的溶解度分析
　4.2 Al-M二元合金中的溶解度間隙
　　4.2.1 Al-Cu系的GP區(qū)形成與溶解度間隙
　　4.2.2 Al-M系溶解度間隙的熱力學(xué)
　　4.2.3 Al-Zn系fcc固溶體的溶解度間隙
　　4.2.4 Al-Mg系fcc固溶體的溶解度間隙
　　4.2.5 Al-Ag系fcc固溶體的溶解度間隙
　4.3 Al-Zn-Mg-Cu多元合金系中的溶解度間隙
　　4.3.1 Al-Zn-Mg系fcc固溶體的溶解度間隙
　　4.3.2 Al-Cu-Mg系fcc固溶體的溶解度間隙
　　4.3.3 Al-Zn-Cu系fcc固溶體的溶解度間隙
　4.4 Al-Zn-Cu系fcc固溶體溶解度間隙的實(shí)驗(yàn)研究
　　4.4.1 低Cu溶解度間隙實(shí)測(cè)的特殊擴(kuò)散偶法
　　4.4.2 Al-Zn-Cu系低Cu側(cè)溶解度間隙的實(shí)測(cè)結(jié)果
　　4.4.3 Al-Zn-Cu系fcc固溶體溶解度間隙的熱力學(xué)計(jì)算
　　4.4.4 Al-Zn-Mg-Cu系合金設(shè)計(jì)要點(diǎn)
　4.5 Al-Zn-Cu系低溫區(qū)相平衡的熱力學(xué)研究
　　4.5.1 Al-Zn-Cu系中的T相
　　4.5.2 Al-Zn-Cu系200℃\低Cu側(cè)相平衡
　　4.5.3 Al-Zn-Cu系室溫低Cu側(cè)相平衡
　4.6 Al-Zn-Cu系合金相變的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)問題
　　4.6.1 Al-Zn合金的不連續(xù)分解行為
　　4.6.2 Cu對(duì)Al-Zn合金失穩(wěn)分解的影響
　　4.6.3 少量Cu對(duì)Al-Zn合金fcc固溶體擴(kuò)散行為的影響
　　4.6.4 少量Cu對(duì)Al-Zn合金不連續(xù)分解的影響
　　4.6.5 少量Cu致Al-Zn合金組織異常細(xì)化與亞穩(wěn)相變
　參考文獻(xiàn)
5 Fe-Mn-Al低溫合金的設(shè)計(jì)與熱力學(xué)解析
　5.1 低溫合金概說(shuō)
　5.2 bcc結(jié)構(gòu)低溫鋼的組織與成分分析
　　5.2.1 相結(jié)構(gòu)與韌脆轉(zhuǎn)變溫度
　　5.2.2 影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素
　　5.2.3 bcc結(jié)構(gòu)低溫鋼的設(shè)計(jì)
　5.3 fcc結(jié)構(gòu)低溫合金的組織與成分設(shè)計(jì)
　　5.3.1 fcc結(jié)構(gòu)低溫合金的韌性特征
　　5.3.2 Ni-Cr合金化
　　5.3.3 單純Mn合金化
　　5.3.4 Mn-Cr合金化
　　5.3.5 Mn-Al合金化
　5.4 奇異的奧氏體低溫穩(wěn)定性
　5.5 Fe-Mn-Al系合金相圖的研究
　　5.5.1 Fe-Mn-Al系合金相圖的研究概況
　　5.5.2 Fe-Mn-Al系合金相圖的研究方法
　　5.5.3 Fe-Mn-Al系合金相圖實(shí)驗(yàn)研究的主要結(jié)果
　　5.5.4 ?Fe-Mn-Al系合金相圖研究的最新進(jìn)展
　5.6 Fe-Mn-Al系低溫合金成分設(shè)計(jì)分析
　參考文獻(xiàn)
6 鈦基合金的熱力學(xué)解析
　6.1 基礎(chǔ)系統(tǒng)相圖
　　6.1.1 Ti-Al系二元相圖
　　6.1.2 Ti-O、Ti-N系二元相圖
　　6.1.3 其它元素對(duì)???相平衡的影響
　　6.1.4 Ti-Mo、Ti-V系二元相圖
　　6.1.5 Ti-Al-V系三元相圖
　　6.1.6 Ti-Al-Mo系三元相圖
　6.2 純鈦的??相變自由能
　6.3 鈦合金的?相穩(wěn)定化參數(shù)
　　6.3.1 Ti基固溶體間的相平衡
　　6.3.2 Ti基二元合金的?相穩(wěn)定化參數(shù)
　6.4 鈦合金的T0線與T0面
　　6.4.1 二元系的T0線
　　6.4.2 鋁當(dāng)量和鉬當(dāng)量
　　6.4.3 多元系中的T0面
　6.5 鈦合金的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度
　　6.5.1 鈦基合金的組織與馬氏體相變
　　6.5.2 馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度
　6.6 鈦合金中微量元素作用的熱力學(xué)解析
　　6.6.1 Ti-Al-It系中的T0面與?相穩(wěn)定化參數(shù)
　　6.6.2 Ti-Al-H系的??????相變溫度
　　6.6.3 Ti合金中化合物相的基本特征
　　6.6.4 Ti合金中化合物相的溶解度
　6.7 Ti-X-Y三元系富鈦角相平衡的預(yù)測(cè)
　　6.7.1 Ti-X-Y三元系富鈦角預(yù)測(cè)的意義
　　6.7.2 Ti-X-Y三元系富鈦角預(yù)測(cè)的依據(jù)
　　6.7.3 Ti-X-Y三元系富鈦角預(yù)測(cè)的可靠性
　參考文獻(xiàn)
7 Ti-Al系金屬間化合物的相平衡熱力學(xué)
　7.1 幾種Ti-Al金屬間化合物及其合金化
　7.2 Ti-Al二元系的熱力學(xué)分析
　　7.2.1 Ti-Al二元相圖的熱力學(xué)分析
　　7.2.2 對(duì)于Ti-Al系相圖的最新認(rèn)識(shí)
　　7.2.3 Ti-Al系???相平衡的熱力學(xué)
　7.3 Ti-Al-X三元系的熱力學(xué)分析
　　7.3.1 Ti-Al-X三元系的???相平衡
　　7.3.2 第三組元X的?相穩(wěn)定化參數(shù)
　　7.3.3 微量第三組元X對(duì)???相平衡的影響
　7.4 Ti-Al-X三元系相平衡的實(shí)驗(yàn)測(cè)定
　　7.4.1 Ti-Al-Nb三元相圖的實(shí)驗(yàn)測(cè)定
　　7.4.2 Ti-Al-Nb三元系??????其它溫度相平衡的實(shí)驗(yàn)測(cè)定
　　7.4.3 Ti-Al-Cr三元系各溫度相平衡的實(shí)驗(yàn)測(cè)定
　　7.4.4 Ti-Al-X三元系????????相平衡實(shí)驗(yàn)規(guī)律分析
　7.5 Ti-Al-?X多元系的???相平衡
　　7.5.1 Ti-Al-?X多元系的???????相平衡研?方法
　　7.5.2 Ti-Al-Cr-Fe四元系的???相平衡
　　7.5.3 Ti-Al-Cr-Si四元系的???相平衡
　　7.5.4 Ti-Al-Si-Nb四元系的???相平衡
　　7.5.5 Ti-Al-Fe-Nb四元系的???相平衡
　　7.5.6 Ti-Al-Cr-Nb四元系的???相平衡
　7.6 Ti-Al系的相變與粗化轉(zhuǎn)變
　　7.6.1 ℃相變的性質(zhì)
　　7.6.2 ?相的形態(tài)與形成機(jī)制
　　7.6.3 片層組織的粗化
　參考文獻(xiàn)
8 TiNiNb寬滯后形狀記憶合金設(shè)計(jì)的熱力學(xué)
　8.1 寬滯后形狀記憶合金概說(shuō)
　　8.1.1 增大相變溫度滯后的意義
　　8.1.2 增大相變溫度滯后的熱力學(xué)原理
　8.2 Ti-Ni-Nb三元系相平衡的實(shí)驗(yàn)測(cè)定
　　8.2.1 Ti-Ni-Nb三元相平衡的擴(kuò)散偶法研究
　　8.2.2 Ti-Ni-Nb系擴(kuò)散偶的設(shè)計(jì)與制作
　　8.2.3 Ti-Ni-Nb系相平衡特點(diǎn)與分析
　　8.2.4 Ti-Ni-Nb系相圖對(duì)合金設(shè)計(jì)的重要啟示
　8.3 Ti-Ni-Nb三元相平衡研究的發(fā)展
　8.4 TiNiNb合金馬氏體相變的熱力學(xué)解析
　　8.4.1 TiNiNb合金的熱容
　　8.4.2 TiNi-Nb合金馬氏體相變熱效應(yīng)的熱力學(xué)分析
　8.5 TiNiNb合金的相組成與結(jié)構(gòu)
　8.6 TiNiNb合?的相變溫度滯后、應(yīng)變恢復(fù)率與組織
　參考文獻(xiàn)
9 CDC處理與TD處理的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)
　9.1 CDC處理概說(shuō)
　　9.1.1 關(guān)于碳化物形成能力
　　9.1.2 CDC處理的基本原理
　　9.1.3 CDC處理的類型
　9.2 CDC處理組織與性能的主要問題
　9.3 CDC處理的熱力學(xué)——碳勢(shì)設(shè)計(jì)
　　9.3.1 等碳活度線
　　9.3.2 合理碳勢(shì)范圍的設(shè)計(jì)
　　9.3.3 Fe-M-C合金鋼CDC處理最低碳勢(shì)設(shè)計(jì)步驟
　　9.3.4 防止Fe3C亞穩(wěn)析出的CDC碳勢(shì)設(shè)計(jì)步驟
　　9.3.5 防止Fe3C穩(wěn)態(tài)析出的CDC碳勢(shì)設(shè)計(jì)?驟
　　9.3.6 商用合金鋼的CDC碳勢(shì)設(shè)計(jì)
　9.4 雙層材料的CDC處理
　　9.4.1 CDC處理的雙層材料
　　9.4.2 雙層材料CDC處理組織
　　9.4.3 雙層材料CDC處理后的性能
　9.5 幾組重要的Fe-C-X系相圖
　　9.5.1 Fe-C-Cr系
　　9.5.2 Fe-C-Mo系和Fe-C-W系
　　9.5.3 Fe-C-V系
　　9.5.4 Fe-C-Ni系
　9.6 TD處理的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)
　　9.6.1 TD處理表面覆層的形成原理
　　9.6.2 碳化物內(nèi)碳活度差的解析
　　9.6.3 TD處理的動(dòng)力學(xué)
　　9.6.4 TD處理動(dòng)力學(xué)的實(shí)證
　參考文獻(xiàn)
索引
后記

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：插圖：當(dāng)然，這里所謂的“不依賴實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)”只是指材料設(shè)計(jì)的計(jì)算過程，而材料的創(chuàng)造與發(fā)明是絕不能脫離材料學(xué)知識(shí)大背景的，更不能脫離整個(gè)工程產(chǎn)業(yè)、科學(xué)技術(shù)的大背景。離開這些，材料設(shè)計(jì)將失去目標(biāo)與動(dòng)力，也將無(wú)法檢驗(yàn)與鑒別。但是，這畢竟是一個(gè)新階段的開始，所以有如下幾方面的鮮明特征：由于在20世紀(jì)后半期無(wú)機(jī)非金屬材料和高分子材料的發(fā)展十分迅速，物質(zhì)的種類和性質(zhì)大幅度增加。與前兩個(gè)時(shí)期相比，材料設(shè)計(jì)的對(duì)象與內(nèi)容也發(fā)生了前所未有的變化。材料性質(zhì)的預(yù)測(cè)、物質(zhì)種類的預(yù)測(cè)變成了材料設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容與目標(biāo)。其中又以各種類型的功能材料的性質(zhì)預(yù)測(cè)為主要內(nèi)容。

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《材料設(shè)計(jì)的熱力學(xué)解析》由化學(xué)工業(yè)出版社出版。

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