從20世紀90年代起美國威斯康星大學changay(張永山)教授為首的研究組注意到了若干相圖計算軟體(如lukas程式)基於區域性平衡演算法(localminimizationalgorithm),而且使用者需要專門的技巧和輸入設定的初值,不僅不便使用而且難以完全避免區域性平衡的出現,使計算失真。為此陳雙林、changay等充分討論了穩定相平衡計算的重要性。在此基礎上2023年changay建立了computhermllc公司致力於運用c++語言研究windows介面的新一代多元相圖計算軟體pandat，是專門為工業、研究及教育使用者提供功能強大和簡單易學的相圖與熱力學計算軟體。
其核心是panengine-pandat的計算引擎,具有系統資訊管理和熱力學與相平衡計算的功能。pandat軟體包的最大優點是即使自由能函式在一定成分範圍內具有多個最低點的情況下,。最近美國的changay,chensl和日本的k.
ishida,liuxj(劉興軍)將pandat相圖計算軟體和無鉛釺料合金資料庫(包括pb,bi,sn,sb,cu,ag,zn,in等元素)相結合聯合開發了無鉛釺料合金相圖計算軟體,為材料工作者設計無鉛釺料合金提供了有效而方便的工具。
合金設計實踐中相圖的應用
鑄造al-si系合金由於其密度小、比強度高同時兼有良好的鑄造工藝效能、力學效能和機械加工效能在航空、航天、汽車、機械等行業得到了廣泛應用。cu、mg是鑄造al-si合金中兩種重要的強化元素。鑄造al-si合金中加入cu和mg，通過合適的熱處理，可大幅度提高合金的綜合力學效能。
在合金進行熱處理時固溶溫度的選擇與控制是合金固溶處理的關鍵因素對合金的力學效能影響較大。目前對al-si-cu-mg合金的固溶處理溫度，國內一般選擇在520℃左右，也有490~520℃分**固溶的方式，國外一般選擇在500℃左右。固溶溫度過高會使富銅相熔化，溫度過低使得合金中第二相的溶解度下降，固溶時間過長。
因此固溶處理階段，選擇合適的溫度是十分重要的。
示差熱（dsc）分析是一種重要的分析材料相變溫度、潛熱和比熱容等引數的方法，近年來，被廣泛應用於合金相變過程的分析，如al-si-cu-mg合金中al2cu的溶解等。為了得到直觀準確的結果，應選擇合適的加熱速率，過高的加熱速率會使dsc峰值重疊影響測定的準確性；過低的加熱速率會導致合金中部分金屬間化合物的溶解。本文通過相圖計算和示差熱（dsc）分析對al-7si-2.
5cu-0.5mg合金的固溶處理溫度進行研究，為al-si-cu-mg系合金的固溶處理溫度以及固溶方式的選擇提供參考和幫助。
1試驗材料和試驗方法
試驗原料分別為工業純鋁、結晶矽、純鎂及al-50cu中間合金等。使用石墨坩堝在sg-5-10型15kw電阻爐中進行熔煉，澆注金屬型試樣。用icp-aes等離子感應耦合分析儀對試驗合金的化學成分進行分析，結果為90%al-7.
0%si-2.5%cu-0.5%mg（質量分數，下同）。
將φ18mm×120mm金屬型試棒加工成φ18mm×20mm小試樣，分別選取490℃、500℃，在15kw井式電阻爐中進行保溫不同時間（0h、0.5h、1h、2h、3h、4h、5h），60~80℃淬火的固溶處理。再將淬火處理後的試樣加工成φ4mm×0.
5mm（15mg左右）試樣，用nicon300型光學顯微鏡觀察鑄態及不同固溶處理態金相組織，並用mettler-dsc823e型差熱分析儀在氬氣保護下測定相變溫度，用origin軟體進行資料處理。測定溫度範圍為25~650℃，公升溫速度為10℃/min，650~450℃降溫速度為0.5℃/min。
採用pandat多元合金相圖計算軟體計算al-7si-xcu-0.5mg四元合金平衡相圖，並與dsc試驗和顯微組織結果進行比較分析。
2試驗結果及分析
2.1al-7si-xcu-0.5mg合金相圖計算
圖1為pandat多相相圖計算軟體計算的al-7si-xcu-0.5mg四元合金系平衡相圖垂直截面（固定90%al、7.0%si、0.
5%mg，cu為0~5%）。從圖可以看出，合金垂直截面圖分別由1個液相區、2個兩相區、3個三相區、4個四相區和1個五相區組成，具體相區構成可見圖中標示。當0.
81%將鑄態al-7si-2.5cu-0.5mg合金加熱到650℃保溫1h後，以0.
5℃/min降溫至450℃，保溫10min，再以10℃/min的加熱速率公升溫，得到圖2所示dsc曲線。從圖2a可以看出，合金平衡凝固時α（al）的析出溫度為606℃（計算相圖為605.9℃），l→α（al）+si的共晶溫度為568℃（計算相圖為566℃），當溫度降至506℃時，出現乙個較小的放熱峰，之後趨於穩定，與計算相圖基本吻合。
從圖2b可以看出，合金平衡凝固組織在520~526℃出現明顯的吸熱峰，對照相圖有峰值推後現象，這主要是由於合金在剛達到相變溫度時，其相變驅動力幾乎為零，需要有一定的過熱度，因此，相變溫度比相圖偏高。526℃以後，合金一直處於吸熱狀態，說明合金已經進入熔化階段。
而合金在鑄造過程中，是非平衡凝固過程，由於枝晶偏析，合金的固相線發生左移，對cu含量為2.5%的合金在非平衡凝固過程中，固相線溫度在505~525℃之間。因此，al-7si-2.
5cu-0.5mg合金在固溶處理時，為防止合金中低熔點共晶物在固溶處理過程中熔化，固溶起始溫度應低於505℃。上述分析只限於該合金的凝固與冷卻過程出現的相變分析，並沒有也不能計算各相變產物的相對含量。
2.2dsc曲線峰值分析
圖3為鑄態al-7si-2.5cu-0.5mg合金dsc差示掃瞄量熱分析曲線。
從圖可以看出，dsc曲線在512℃開始有第乙個吸熱峰，到519℃結束。隨後在526℃左右開始出現第二個吸熱峰，結合相圖及合金的非平衡凝固過程可知：
第乙個峰可能發生如下反應：
第二個峰可能發生如下反應：
從曲線上可以看到540℃左右開始有乙個很大的吸熱峰，說明此時合金由固態向液相開始轉變。
圖4、圖5分別為合金在490℃和500℃固溶不同時間的dsc曲線，可以看出，在起初的0.5h內，低熔點共晶物擴散速度較快，隨後，隨著固溶時間的延長，低熔點共晶物擴散速度較為緩慢，當合金在490℃固溶5h，合金中低熔點共晶物還未全部溶解，而合金在500℃固溶2h後，第二個峰已經基本消失，當固溶3h後合金中低熔點共晶物已經全部溶解。這是因為在al-si-cu-mg合金中，cu與al形成q（al5mg8cu2si6）、a12cu等相，cu在α（al）中的最大溶解度為5.
7%。而在室溫的溶解度很低，只有0.05%。
因此，即使在鑄造過程中由於非平衡凝固形成的q相、a12cu等第二相，在固溶過程中合適的溫度下都可重新溶解到α固溶體中。由菲克第一定律
式中：j為擴散通量，即單位時間單位面積上溶質擴散的量；dc/dx為沿擴散方向（x方向）的濃度梯度；d為比例常數，又稱擴散係數。
在固溶處理的初始階段，由於濃度梯度dc/dx最大，擴散速度較快，因此在dsc曲線上表現出0~0.5h內低熔點共晶物擴散速度較快，之後，由於濃度梯度降低，使得擴散速度降低。根據擴散係數和溫度間的arrhenius方程：
式中：d為擴散係數，d0為頻率因子，q為擴散活化能，r為理想氣體常數，t為絕對溫度。可知固溶溫度高時原子擴散係數增大，擴散速度加快有利於固溶過程的進行。
通過以上對比可以看出，al-7si-2.5cu-0.5mg合金固溶處理時，為防止合金中低熔點共晶物在固溶處理過程中熔化，同時提高q、al2cu等相在合金中的溶解度，合金的固溶處理應選擇分級固溶的方式進行。
分級固溶的起始溫度選擇490℃時，低熔點共晶物擴散速度較慢，其完全溶於鋁基體所需的時間較長，選擇500℃時，低熔點共晶物擴散速度較快，3h就可使其完全溶於鋁基體。因此，分級固溶的起始固溶方式選擇500℃×3h較為合適。由圖5可以看出，合金在500℃固溶3h後，低熔點共晶物已經完全溶解，且此時合金的熔點為540℃，因此為加快合金的固溶速度，此時可提高固溶溫度。
第二級固溶溫度可選擇在530℃左右進行。
2.3金相組織分析
為對比合金經過固溶處理後第二相的溶解情況，對al-7si-2.5cu-0.5mg合金鑄態及在500℃分別固溶20mim、1h、3h後淬火的顯微組織進行對比。
為確保固溶前後選取同一位置進行對比，特對鑄態金相試樣進行了標記（圖6）。由圖可以看出，合金經過500℃×20min固溶處理後，第二相有明顯的溶解（圖6a），合金經過500℃×1h固溶處理後，α（al）晶界、α（al）和共晶矽晶界上的第二相明顯減少（圖6）；500℃×3h固溶處理後，α（al）晶界、α（al）和共晶矽晶界上的第二相已基本消失（圖6c）。
3結論（1）al-7si-2.5cu-0.5mg合金平衡凝固組織在520℃附近開始發生共晶組織轉變，而非平衡凝固的鑄態組織在505℃左右開始發生組織轉變，結合相圖及合金的非平衡凝固過程可知開始發生的相變過程為α（al）+si+al2cu+al5mg8cu2si6→l。
（2）鑄態al-7si-2.5cu-0.5mg合金在500℃固溶3h後，低熔點共晶物完全溶解，此時合金的熔點為540℃。
結語材料的研究與開發離不開相圖，而相圖的研究也離不開材料研究的大背景。無論實測相圖還是計算相圖都是材料研究的基礎，而計算相圖又是作為人工智慧的材料設計的重要組成部分。傳統材料的開發與應用對相圖的需要是人們早已熟知了的，而作為材料設計的基礎的相圖研究，隨著人工智慧進入材料領域，其重要性將越來越顯示出來。
材料力學在釣竿設計中的應用
柯小麗本碩131班 5603513037 一 摘要 釣竿是我們生活中常見的一種娛樂工具，隨著材料科學的發展，釣竿的材質發生了革命性的變化，本文就 了釣竿的最古老的材質 竹子與最新材質 碳纖維製作釣竿的優勢。其中竹竿的結構特徵使其成為了最佳製作釣竿的天然材料 碳纖維竿在竹竿結構的基礎上改善材料的綜合性...
新型環保材料在園林設計中的應用
本文屬於中聯 網優秀 請註明本文僅供學術參考，嚴謹 否則後果自負 本文引用 知識經濟 摘要 隨著經濟與社會的快速發展，現代園林設計也發生了極大的改變，出現了越來越多的流派，設計方式也越來越豐富。現在人們的物質生活水平在不斷地提高，所以對待園林設計的材料和設計方案也提出了更高的要求，這樣在設計過程中，...
色彩在廣告設計中的應用
在產品激烈競爭的今天，產品的質量固然重要，產品的包裝更是不可缺少的一部分。我們的理念是降低成本增加視覺效果。人們在感受空間環境的時候，首先是注意色彩，然後才會注意物體的形狀及其他因素。色彩的魅力舉足輕重，影響著人們的精神感覺，只有室內色彩環境符合主人的生活方式和審美情趣，才能使人產生舒適感完全感和美...