摘要：介绍了几种研究铝合金时效过程中微结构演变的先进实验及模拟手段,包括用于显示原子列Z衬度的高角环形暗场-扫描透射电子显微术(HAADF-STEM)、分析微区中不同元素三维空间分布的三维原子探针技术(3DAP)、复杂选区电子衍射(SAED)模拟及第一性原理计算。综述了近年来作者及国内外学者使用这些手段研究Cu元素添加对6000系和7000系铝合金时效过程中微结构影响的进展,包括Cu添加对合金析出序列、时效析出速率、合金的析出硬化效果、析出物(如GP区、β″亚稳相、η平衡相等)的化学计量比及原子占位等的影响。最后展望了采用热力学、动力学计算及相场模拟等方法在铝合金设计中的应用,指明了通过对铝合金微结构进行定量模拟并结合关键实验验证来实现铝合金高效设计的发展方向。

摘要：材料基因工程是铝合金实现高效设计的必经途径,而定量结构表征是铝合金设计和制造知识系统中关于微结构模拟及其控制的不可或缺的输入及验证。对铝合金而言,定量的微纳尺度结构表征包括精准的物相晶体结构鉴定、成分测定等,以及在此基础上进行的物相尺寸、数密度及体积分数等关键结构参数的精准测量。以Al-Mg-Si(-Cu)合金为例,综述了系列表征技术在铝合金微纳结构定量表征中的应用。首先,指出高分辨透射电子显微术、高角环形暗场及环形明场扫描透射电子显微术等技术对研究铝合金中常见的纳米析出相的原子尺度结构有明显的优势,但是也存在电子束损伤高的风险;三维原子探针尤其适合对原子团簇及纳米析出相进行精准的成分测定,但也存在样品小、破坏性检测、无法达到原子分辨率的问题;而选区电子衍射等传统技术则正好与之互补,同时低电压、低剂量率的高分辨TEM观察也是未来值得努力的方向之一。其次,介绍了最近发展起来的一种主要基于传统的会聚束电子衍射来测量纳米析出相体积分数的精准易行的方法。最后,指出在未来研究中,结合前述纳米至原子尺度结构表征手段以及聚焦离子束连续切片法、电子全息照相术、X射线纳米全息照相术等微米-纳米之间尺度的表征手段对铝合金实现多过程、跨尺度定量结构表征的意义,并指出基于原位加热TEM观察来实现动态结构表征是未来的重要发展方向之一。

摘要：用于铝合金的集成计算材料工程是将微观(10-10~10-8m)、细观(10-8~10-4m)、介观(10-4~10-2m)和宏观(10-2~10 m)等多尺度计算模拟和关键实验集成到铝合金设计开发的全过程中,通过成分-工艺-结构-性能的集成化,把铝合金的研发由传统经验式提升到以组织演化及其与性能相关性为基础的科学设计上,从而大大加快其研发速度,降低研发成本。本文详细阐述了原子尺度模拟、相图计算、相场、元胞自动机和有限元等计算模拟方法及微结构表征和性能测定的实验方法,论述了其在铝合金研发中所发挥的具体作用。基于集成计算材料工程,提出了从用户需要、设计制备和工业生产3个层面研发铝合金的具体框架。通过2个应用实例,展示了集成计算材料工程在铝合金研发中的强大功能,这也为新型铝合金及其它新材料的设计和开发提供了新模式。

摘要：建立了多组元硬质合金W-C-Co-Ti-Cr-Ta-Nb-N体系热力学及动力学基因库。利用所建立的热力学及扩散动力学基因库,模拟了WC-Ti(C,N)-TaC-Co硬质合金梯度层形成过程,计算所得各相体积分数及组元成分与实验结果相吻合。采用SEM和EDS等方法对不同N气氛下梯度烧结所获得的WC-Ti(C,N)-Co梯度硬质合金进行了合金表面组元成分分布测定,并对样品梯度层的形成进行了模拟,模拟能很好地描述实验结果。基于第一原理计算和实验对广泛应用的三元Ti-Al-N耐磨涂层体系的结构、力学、热力学性质和调幅分解曲线,以及调幅分解析出立方二元氮化物的性能进行了研究。计算结果与已有实验值符合较好,可为高性能硬质合金和多元涂层的开发设计提供理论指导。最后提出了硬质合金及耐磨涂层研发的基因框图。