几种常见的合金设计方法及其在铝合金设计中的应用
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铝合金压弯方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:铝合金压弯是一种常见的金属加工方法,用于将铝合金板材折弯成所需的形状或角度。
这种方法广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑和电子行业等领域。
铝合金具有轻质、耐腐蚀和优良的导电导热性能,因此成为制造复杂结构的理想材料之一。
在进行铝合金压弯之前,需要考虑多种因素,包括铝合金的成分、板材的厚度和硬度、弯曲角度和半径等。
此外,还需要选择合适的压弯机和工具,以确保最佳的加工质量和效率。
铝合金压弯方法主要包括手动压弯和机械压弯两种。
手动压弯是较为简单和常见的方法,操作人员通过运用力和工具将铝合金板材逐渐弯曲至所需角度。
机械压弯则利用专用的压弯设备,通过电动或液压系统施加力量来实现弯曲。
机械压弯具有高精度和重复性好的优点,适用于批量生产和复杂形状的铝合金压弯。
此外,还有一些特殊的铝合金压弯方法,如热压弯和滚轮压弯。
热压弯是在加热的条件下进行的,利用铝合金的高温塑性性能来实现弯曲,适用于一些特殊形状的铝合金板材。
滚轮压弯则是利用滚轮对铝合金板材进行逐渐弯曲,适用于较长且细长的板材。
总之,铝合金压弯方法是一种重要且广泛应用的金属加工技术。
通过合理选择方法和工具,可以高效、精确地实现对铝合金板材的弯曲加工,满足各种工业领域的需求。
未来,随着科技的进步和新材料的研发,铝合金压弯方法也将不断更新和发展,为各行各业提供更好的解决方案。
文章结构部分的内容通常用来介绍和说明文章的组织结构和主要部分。
在这篇文章中,可以按照以下方式编写1.2文章结构部分的内容:文章结构:本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分:在引言部分,我们会对铝合金压弯方法进行概述,并说明本文的目的。
正文部分:正文部分将详细介绍铝合金压弯方法的要点。
其中包括铝合金压弯方法要点1和铝合金压弯方法要点2。
通过对这两个要点的介绍,读者可以了解铝合金压弯方法的具体步骤和技术要求。
结论部分:在结论部分,我们将对全文进行总结,并展望未来的发展方向。
蜂窝铝和太空铝全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:蜂窝铝和太空铝是两种常见的金属材料,它们在工业领域中被广泛应用,具有许多相似之处,但又有各自的特点。
本文将就这两种金属材料的特性、制作工艺、应用领域等方面进行详细介绍。
让我们先来了解一下蜂窝铝。
蜂窝铝是一种具有孔隙结构的铝合金材料,这种特殊的结构使其具有较轻的重量和较高的强度。
蜂窝铝的表面呈现出一种类似蜂窝的几何图案,这种设计不仅美观大方,还能够增加材料的表面积,提高了其散热性能。
蜂窝铝的制作工艺主要包括原料选择、材料加工、成型、表面处理等步骤,通过这些工艺的精细处理,可以获得质量优良的蜂窝铝制品。
蜂窝铝的应用领域非常广泛,主要包括航空航天领域、汽车制造、建筑装饰、电子产品等。
由于其轻量化和高强度的特性,蜂窝铝在航空航天领域中被广泛应用于制作飞机结构、导流板等部件,能够有效减轻飞行器的自重,提高燃油利用率。
在汽车制造领域,蜂窝铝可以用于制作车身结构、悬挂系统等零部件,能够提高汽车的安全性和节能性。
蜂窝铝还可以应用于建筑装饰领域,制作各种装饰板材、墙体装饰材料等,具有很好的防火、防腐蚀等特性。
接下来,让我们来介绍一下太空铝。
太空铝是一种轻质、高强度的金属材料,通常由铝合金制成。
太空铝的表面光滑、坚固,具有很好的耐腐蚀性和导热性,适用于各种高端领域的应用。
太空铝的制作工艺类似于蜂窝铝,需要经过多道工序的加工和表面处理,以保证其质量和性能。
太空铝的应用领域主要集中在航空航天、卫星通信、光学仪器等领域。
在航空航天领域,太空铝被广泛应用于制作航天器的结构、机械零部件等,能够满足宇航员生存的各种需求。
在卫星通信领域,太空铝可以用于制作卫星外壳、信号接收器等,保证卫星的稳定性和长期使用寿命。
在光学仪器领域,太空铝可以用于制作反射镜、望远镜支架等,提高光学仪器的精度和稳定性。
蜂窝铝和太空铝是两种重要的金属材料,在工业领域中发挥着重要作用。
它们的独特性能和广泛应用领域,为各行业的发展提供了有力支持,也为我们的生活带来了许多便利。
34摘 要:本文阐述了铝合金模板的特点,并对铝合金模板施工工艺在建筑设计领域中的影响进行了深入分析。
关键词:铝合金模板;建筑设计;影响;应用[中图分类号]TU755.2 [文献标识码] A [文章编号]1005-1783(2021)01-034-03探讨铝合金模板施工工艺在建筑设计中的应用彭淑寅(广州瀚华建筑设计有限公司,广东广州 510655)随着我国建筑业的迅猛发展,高层建筑、超高层建筑犹如雨后春笋般拔地而起,然而如何实现建筑节能、环保是每个设计师的职责和使命。
铝合金模板是不同于传统木模的新型模板体系,该种模板自身重量轻、周转次数多、使用方便、混凝土成型效果好,因此铝合金模板在高层建筑中得到了广泛应用。
本文就铝合金模板的特点结合实际项目施工图设计对铝合金模板施工工艺在建筑设计领域中的影响进行深入分析。
1 铝合金模板的特点1.1 铝合金模板的优点铝合金模板质量轻,便于安装。
每块标准模板为400mm×1200 mm,重量约25 kg,铝合金模板施工周期短,模板在工厂拼好模且各参建单位验收无误后,对各模板标记编号,再进行现场拼接。
两个工人通过楼板传料口向上转运,不需要任何机械设备的协助。
铝合金模板浇筑的混凝土观感好、质量高,拆模后的混凝土表面非常平整,基本上可达到清水混凝土的要求,减少了传统抹灰出现空鼓和开裂的风险,并且现场施工无任何垃圾,也达到了环保的要求。
铝合金模板平均使用成本低,虽然单价高,但可循环使用30层,基本与木模持平,循环使用次数越高优势越明显,每套铝合金模板重复使用次数约300次~500次。
铝合金模板施工完除循环使用外,仍可以回收利用。
且铝合金模板属于可再生材料,符合建筑节能、环保、低碳、减排的规定。
1.2 铝合金模板的缺点铝合金模板一般仅用于标准层,而非标准层、首层、避难层如采用铝合金模板,则成本花费大,这时可采用铝合金模板和木模相结合的方式来进行施工。
由于铝合金模板施工工地上不容易随便切割,所以铝合金模板设计需与施工图一致,如有修改或变更,需在铝合金模板深化图确认前完成,待加工完成后现场安装时不能进行修改,如确实需要修改则应重新深化设计,会影响项目施工进度。
高强度铝合金新材料及其成型技术的研究与应用高强度铝合金新材料及其成型技术的研究与应用引言:高强度铝合金是一种具有重要应用价值的材料,以其优异的力学性能、良好的耐蚀性和良好的可加工性在航空航天、汽车制造、船舶建造等领域得到广泛应用。
然而,高强度铝合金的研究与应用仍然面临一些挑战,主要包括材料的力学性能、成型技术和加工工艺等方面。
一、高强度铝合金的研究:1.1 物理性能:高强度铝合金具有较低的密度和高的强度,这使得它成为一种理想的结构材料。
根据需求,高强度铝合金可以具备强度超过钢铁的特点,使其在航空航天和汽车工业中具有广泛的应用前景。
1.2 耐蚀性:高强度铝合金具有良好的耐蚀性,这使其能够在恶劣的环境条件下使用,例如海洋环境和高温高湿度环境。
1.3 可加工性:高强度铝合金具有良好的可加工性,可通过挤压、锻造、压铸等方法制备出具有复杂形状的零部件。
二、高强度铝合金的成型技术研究:2.1 挤压:挤压是高强度铝合金成型的一种重要方法,通过将铝合金坯料放入挤压机中,通过加热和压力使其通过模具形成所需的形状。
挤压成型具有高生产效率和较高的成型精度。
2.2 锻造:锻造是一种通过将高强度铝合金坯料放入锻造机中,通过加热和压力使其在模具中形成所需形状的成型方法。
锻造成型具有较高的成型精度和较好的力学性能。
2.3 压铸:压铸是一种通过将高强度铝合金熔融后注入模具中,在模具中冷却并形成所需的形状的成型方法。
压铸成型具有高生产效率和较好的成型精度,适用于大批量生产。
2.4 成型模具设计与制造:成型模具是高强度铝合金成型过程中的关键装备,其设计与制造对成型质量和成型效率具有重要影响。
成型模具的设计应考虑到铝合金的物理性能、成型工艺和产品要求等因素,以确保成型过程的稳定性和一致性。
三、高强度铝合金的应用:3.1 航空航天领域:高强度铝合金具有低密度和高强度的特点,因此,它在航空航天器制造中得到广泛应用。
例如,它可以用于制造飞机的机身、机翼和起落架等部件,以提高飞机的整体性能。
2019-2020年人教版高中化学选修一教学案:第三章第一节合金(含答案)1.合金的概念合金是由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。
2.合金的性能合金与其各成分金属相比,具有许多优良的物理、化学或机械的性能。
(1)合金的硬度较大。
(2)多数合金的熔点比其各成分金属的低。
(3)合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件来调节。
[跟随名师·解疑难](1)加入其他合金元素后,合金元素的原子或大或小,改变了原有金属原子的规则排列,使原子层之间的滑动变得困难,增大了合金的硬度。
(2)加入合金元素后,由于合金元素的原子半径与原金属原子不同,使金属原子的排列变得不规整了,原子间的相互作用力变小,使合金的熔点变低。
(3)合金是混合物,但其组成是均匀的,而且有些合金具有固定的熔点。
(4)使用最早的合金是铜合金。
[剖析典例·探技法][例1]工业生产中,常将两种或多种金属(或金属与非金属)在同一容器中加热使其熔合,冷凝后得到具有金属特性的熔合物——合金。
这是制取合金的常用方法之一。
仅根据下表数据判断,不宜用上述方法制取的合金是()A.Fe-Cu合金B.Cu-Al合金C.Al-Na合金D.Cu-Na合金[名师解析]根据合金的概念可知:铜的熔点为1 083℃,而钠的沸点为883℃,即当铜熔化时,钠已气化。
二者形不成合金。
[答案] D[名师点睛]合金是由不同金属熔合而成的,即熔合时温度要达到两种金属中最高的熔点,但一种金属的熔点不能高于另一种金属的沸点。
如本题中Na-Al能形成合金,但Cu-Na 不能形成合金。
1.铁合金生铁和钢的比较:2.铝合金和铜合金(1)硬铝:合金元素为Cu、Mg、Mn和Si等。
硬铝密度小,强度高、抗腐蚀性强。
适用于制造飞机和航天器。
(2)铜合金:黄铜是Cu-Zn合金,青铜是Cu-Sn合金。
3.新型合金(1)储氢合金:Ti-Fe合金和La-Ni合金等。
绿色低碳铝合金产品关键技术开发与应用1.引言1.1 概述绿色低碳铝合金产品是指以铝为基础材料,通过减少能源消耗、降低环境污染和节约资源的方式进行研发和生产的铝合金制品。
近年来,随着环境保护意识的增强和可持续发展理念的普及,绿色低碳铝合金产品的研发和应用已成为铝合金行业的发展方向。
铝合金在工业生产和日常生活中起着重要的作用,具有轻质、高强度、耐腐蚀等诸多优点,广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑、电子电器等领域。
然而,铝合金产品在制造过程中会产生大量二氧化碳等温室气体排放,对环境造成严重污染。
为了降低铝合金制造过程中的环境影响,绿色低碳铝合金产品的研发显得尤为重要。
绿色低碳铝合金产品的关键技术开发主要包括以下几个方面:首先,通过改变合金配比优化熔炼工艺,减少能耗和污染物排放;其次,研发高效节能的铝材加工工艺,提高产品成品率和材料利用率;还有,探索新型的绿色涂层技术,增加产品的表面保护层,延长使用寿命。
绿色低碳铝合金产品的应用领域非常广泛。
在航空航天领域,绿色低碳铝合金产品可以减轻飞机结构负荷,提高燃油利用率,降低碳排放。
在汽车制造行业,绿色低碳铝合金产品具有良好的冲击吸能性和强度,可以在碰撞时起到保护作用。
在建筑领域,绿色低碳铝合金产品可以用于门窗、墙板等部位,具有轻便、耐久的特点。
在电子电器行业,绿色低碳铝合金产品可以制造轻薄的电子产品外壳,提高产品的性能和可靠性。
总之,绿色低碳铝合金产品的关键技术开发和应用能够有效降低铝合金制造过程中的环境污染和能源消耗,符合可持续发展的要求。
随着科技的不断进步和创新的推进,相信绿色低碳铝合金产品将在未来取得更加广泛的应用和发展。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下几个方面:2. 正文:2.1 关键技术开发:- 材料研发:介绍绿色低碳铝合金产品的研发目标和要求,探讨研究铝合金材料的新型配方和制备工艺,以提高产品的性能和降低对环境的影响。
- 工艺创新:介绍铝合金产品生产过程中的关键工艺和技术创新,如阳极氧化、塑性成形等方法的改进,以减少能源消耗和废弃物产生。
高精度铝合金管材的应用及生产技术摘要:由于经济和工业水平的提高,中国金属需求的增加在工业生产中铝合金材料是轻金属发挥着越来越重要的作用。
它提供了腐蚀、轻率、高盈利、能效和环境等优点。
高精度成品铝合金目前用于航天、汽车工业、工程、化学等领域。
本文研究分析了铝合金及其加工技术的应用。
关键词:高精度铝合金;应用;加工成形技术高精度铝合金的主要优点通常是加工能力好、焊接简单、强度高、密度低。
因此,它被用于汽车、航天、民航等许多领域。
特别是,它在汽车工业中起着至关重要的促进作用,广泛应用于汽车工业。
一、高精度铝合金材料的特点国外高精度铝合金的研制Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg-Cu铝合金产品,Al-Cu-Mg 合金的静态强度较低,Alu-ZN-MG-CU合金的温度有很高的状态。
Al-Cu-Mg是早最合金。
铝产品的快速热处理。
随着汽车工业的发展此外,还开发了铝合金系列的制造工艺。
在上世纪下半叶到至今,合金得到了发展,在此基础上开发了2618种合金。
我们成功地研制系列合金十多种发展类型广泛应用于汽车工业。
我国相对较晚研究高精度铝合金。
最早起源铝合金可追溯到80年代。
高精度铝合金(Al-Zn-mg-Cu)的研究开发高强高韧铝合金。
7xxx系列铝合金目前广泛用于航空应用,推导出7075、7175、7050等在航空产品制造中广泛应用的铝合金。
20世纪90年代,北京乘用车研究所成功研制出了标准和半连续铸造7A55铝合金,研制出了高精度7A60铝合金。
1.低密度铝合金。
其密度为2.7g/立方厘米,而工业制造中通常使用密度为7.8g/立方厘米的钢,其中铝合金约占三分之一。
由于这些特殊特性,铝合金满足了航空航天、汽车工业、建筑等领域的设备要求。
以实现更广泛的使用。
使用铝合金可以在一定程度上降低运输和加工成本,从而降低成本。
2.铝合金具有良好的力学性能。
纯铝具有较低的密度值和良好的可成型性,但纯铝相对强度低。
因此锌、镁、铜等元素被添加。
铝外表处理工艺一、选材1.1铝合金6061:镁铝6061-T651是6系合金的主要合金,是经热处理预拉伸工艺的高品质铝合金产品;镁铝6061具有加工性能极佳、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、上色膜容易、氧化效果极佳等优良特点。
主要用途:广泛应用于要求有一定强度和抗蚀性高的各种工业构造件,如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、铁道车辆。
6061典型用途:代表用途包括航天固定装置、电器固定装置、通讯领域,也广泛应用于自动化机械零件、精细加工、模具制造、电子及精细仪器、SMT、PC板焊锡载具等等。
1.2电镀是在外表添加一层金属保护层。
阳极氧化是把外表一层人为按要求用电化学进展氧化,用这层氧化层作保护层。
铝不好电镀,但氧化铝很硬〔可作磨料〕,化学性能又特好〔不会再氧化,不受酸腐蚀〕,比一般金属还好,还可以染成各种颜色。
所以铝件一般用阳极氧化。
二、工艺类型、效果图、厂家调研2.1氧化工艺喷砂可以使丝印时,印料和承印物的结合更加结实。
均匀适当的喷砂处理,根本上可以克制铝材外表常见的缺陷。
详见附录2.2、喷涂工艺1、外表处理工艺:机壳漆机壳漆金属感极好,耐醇性佳,可复涂PU或UV 光油。
玩具油漆重金属含量符合国际平安标准。
包括CPSC含铅量标准、美国测试标准ASTMF 963、欧洲标准EN71、EN1122。
2、外表处理工艺:变色龙随不同角度而变化出不同颜色。
是一种多角度幻变特殊涂料,使你的商品价值提高,创造出无懈可击的超卓外观效果。
3、外表处理工艺:电镀银涂料电镀银漆是一款无毒仿电镀效果油漆,适用ABS、PC、金属工件,具有极佳的仿电镀效果和优异的耐醇性。
4、外表处理工艺:橡胶漆适用*围:ABS、PC、PS、PP、PA以及五金工件。
产品特点:本产品为单组份油漆,质感如同软性橡胶,富有弹性,手感柔和,具有防污、防溶剂等功能。
这种油漆枯燥后可得涂丝印。
重金属含量符合国际平安标准。
包括CPSC含铅量标准、美国测试标准ASTMF 963、欧洲标准EN71、EN1122。
铝方管和断桥铝-概述说明以及解释1.引言1.1 概述铝方管和断桥铝是建筑行业中常见的两种材料。
铝方管是一种用铝制成的方形管道,具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点,广泛用于建筑、机械制造、航空航天等领域。
断桥铝是一种具有隔热、密封、防水等功能的建筑材料,常用于大楼的门窗、幕墙等部位。
铝方管的特点主要有以下几个方面。
首先,由于铝的密度低,铝方管具有轻质的特点,使得它在建筑中使用更加方便,能够减轻结构负荷。
其次,铝方管的强度高,能够承受较大的压力和拉力,增加了建筑结构的稳定性和安全性。
此外,铝方管还具有良好的耐腐蚀性,不易受到氧化和腐蚀的影响,延长了使用寿命。
铝方管在建筑、机械制造和航空航天等领域有广泛的应用。
在建筑领域,它常用于制作屋架、楼梯、扶手等部位,其轻便的特点使得建筑施工更加便捷。
在机械制造方面,铝方管常用于制作机器框架、输送管道等,其高强度和耐腐蚀性能使得机器设备更加稳定和持久。
在航空航天领域,铝方管常用于制造飞机的机身和机翼等部位,减轻了飞机的自重并提高了飞行性能。
而断桥铝是一种以铝合金为基材的建筑材料,它具有优异的隔热、密封和防水功能。
断桥铝通过在铝合金型材中设置断热隔断,有效隔绝了室内外的热量传输,提高了建筑的节能性能。
同时,断桥铝还能够有效地阻挡风、雨等外部环境的侵入,提供良好的密封性和防水性能。
断桥铝主要应用于大楼的门窗、幕墙等部位。
在门窗方面,断桥铝能够有效地隔绝室内外的温差,提供舒适的室内环境,同时具有优异的防盗性能。
在幕墙方面,断桥铝能够满足建筑对于隔热、防火等性能的要求,并且能够根据建筑设计的需要制作出不同形状和颜色的幕墙,增加了建筑的美观性。
综上所述,铝方管和断桥铝是建筑行业中常用的两种材料。
铝方管具有轻质、高强度和耐腐蚀等特点,广泛用于建筑、机械制造和航空航天等领域。
断桥铝则具有隔热、密封和防水等功能,主要应用于大楼的门窗、幕墙等部位。
它们在不同的领域和应用中展示出各自的优势和特点,为建筑行业的发展做出了重要的贡献。
装配式建筑施工中的铝合金与钢结构连接铝合金与钢结构的连接在装配式建筑施工中起着至关重要的作用。
这种连接方式不仅能够保证建筑的稳定性和强度,还具备快速、高效、环保等优势。
本文将介绍装配式建筑施工中铝合金与钢结构连接的常用方式及其特点,并探讨其应用领域和发展前景。
一、常用的铝合金与钢结构连接方式1. 拼接连接拼接连接是最常见且最简单的一种连接方式。
它通过螺栓或焊接将铝合金构件与钢结构固定在一起,形成一个整体。
这种连接方式适用于相对静态负荷较小的场景,例如建筑外墙面板等。
2. 高强度螺栓连接高强度螺栓连接是一种使用高强度螺栓将铝合金构件与钢结构紧密地连接在一起的方式。
它具有承载能力强、安全可靠等优点,适用于大跨度大跨径结构中,如桥梁、体育馆等。
3. 结点化设计结点化设计是一种将铝合金和钢结构按照特定的结点进行拼接的方式。
通过设计合理的结点连接,可以使铝合金与钢结构之间产生更大的接触面积和摩擦力,提高了连接的刚度和稳定性。
这种连接方式适用于楼梯、天桥等细节处。
二、铝合金与钢结构连接方式的特点1. 快速施工装配式建筑中采用铝合金与钢结构连接是为了提高施工效率,缩短施工周期。
相比传统的现场焊接或固定连接,铝合金与钢结构的预制和加工更加简单快捷,能够大量减少施工时间。
2. 资源可回收利用装配式建筑注重环保理念,在材料选择和施工过程中倡导资源可回收利用。
铝合金与钢结构的连接方式符合这一要求,不会产生大量废弃物,而且旧建筑可以进行拆卸,其中的构件可以重新利用。
3. 强度和稳定性铝合金与钢结构连接方式在保证建筑强度和稳定性方面具备优势。
无论是使用螺栓连接还是采用焊接技术,都能够确保铝合金与钢结构之间的紧密连接,使整个建筑具备良好的抗载荷能力。
4. 维护方便装配式建筑中的铝合金与钢结构连接方式还具备维护方便的特点。
由于采用了标准化设计和预制化加工,一旦出现问题,可以通过更换或修复单个构件来解决,而不需要对整个建筑进行繁琐的维修。
几种常见的合金设计方法及其在铝合金设计中的应用1.现代合金设计简介1.1合金设计概述材料设计的设想始于20世纪50年代,前苏联科学家进行了初期的研究,在理论上提出了人工半导体超晶格的概念。
到1985年,日本学者山岛良绩正式提出了“材料设计学”这一专门的研究方向,将材料设计定义为利用现有的材料、科学知识和实践经验,通过分析和综合,创造出满足特殊要求的新材料的一种活动过程,其目的是改进已有的材料和创造新材料。
现在材料设计已基本上形成一套特殊的方法,就是根据性能要求确定设计目标,有效地利用现有资源,通过成份、结构、组织、合成和工艺过程的合理设计来制造材料。
其中,关键是材料的成份、结构和组织的设计[1]。
合金设计的概念和方法是当材料科学深人到原子的电子结构层次之后。
在科学文献中才明确提出。
合金设计是国外70年代发展起来的一门新兴的交叉学科。
现今,根据科学理论,由人们能动地设计出具有预想性能的材料的所谓“材料设计”已经逐步兴起,在金属材料中“合金设计”这一科学方法,更为广大冶金工作者所广泛采用。
这一方法必将逐步代替传统的、耗时费事的试探筛选方法。
由于在金属与合金设计中成分参数与组织参数不易控制,合金性能的推断也有一定困难,所以完善的金属与合金设计有待于材料科学与工程的进一步的发展。
1.2合金设计的依据合金设计是一门总和学科,它必须依据几个方面来总和考虑,包括:我们要充分了解合金在服役条件下的使用性能(如机械性能,物理性能);要了解合金从生产到制成产品的工艺过程(如铸造,锻造,焊接,切削加工等);还需要考虑一些重要的经济因素(如原料,价格,市场等)。
由此可见,合金设计是通过合金成分和组织的严格控制与合理配合而获得预期的性能,它是建立在合金成分—组织—性能—工艺的定量关系基础上的综合结果。
2.几种合金设计的方法合金设计应包括成分设计、宏观加工和对显微组织的设计,也包括了对合金性能的预测。
Yukawa和Morinaga等人利用变分原子簇法计算一些金属间化合物和合金的电子结构,计算出其轨道能级和键级,并将其应用于合金设计。
此外,利用热力学的特征数据也可进行合金相的设计、计算合金的相图,也可根据振动自由能通过从头计算来预测合金相图。
还可利用模糊分析方法来实现复相材料的设计,即通过确定复相材料组织参量对性能的隶属函数,并运用模糊线性加权变换来完成对性能的分析与评判。
2.1 经验法和半经验法长期以来,合金研究通常采用配方法来进行,即根据大量的实验数据对成分—组织—性能反复调整、试验,直到获得满意的合金为止。
这种方法具有相当大的盲目性,费时、费力、经济损失大,已远远不能满足现代科技和社会的发展要求。
半经验法的基本原理是从已有的大量数据和经验事实出发,将合金的性能、组分等数据存放在数据库中,利用一些数字计算来完成对合金的设计。
常用的数学计算方法有:热力学方法,即利用材料的一些特征数据(如自由能、扩散系数等)预测材料的性能;还可利用能带理论来设计一些合金元素在金属间化合物中的作用,以及利用量子力学理论计算合金的相结构等。
2.2 蒙特卡洛法蒙特卡罗法(MC)也称随机抽样技术或统计试验方法,是以概率论和数理统计学为基础,通过统计试验来实现目标量的计算。
蒙特卡罗方法的基本思路是求解数学、物理化学问题时,将它抽象为一个概率模型或随机过程,使得待求解等于随机事件出现的概率值或随机事件的数学期望值,其基本操作步骤如图1-1图1-1 MC具体操作步骤事实上,随机模型并没有改变多体问题的复杂本质,它只是提供了一种处理问题的有效方法,因此利用该方法研究粒子的瞬时分布和宏观量是很接近实际的。
此外,MC法的关键问题是抽样方法以及要有足够多的样本。
虽然要进行多个抽样,但MC法具有程序简单、算法稳定等优点,因此用它来模拟晶体生长、碰撞、逾渗等问题。
2.3 有限元法有限元法是一种常规的数值解法,它是将连续介质采用物理上的离散与片分多项式插值来形成一个统一的数值化方程,非常方便计算机求解。
该方法实质上是完成两个转变:从连续到离散和从解析到数值,因此可解决大多数力学问题、凝固模拟和晶体的塑性模拟等。
有限元法与细观力学和材料科学相结合产生了有限元计算细观力学,它主要研究复合材料中组分材料间的相互作用力和定量描述细观结构与宏观性能间的关系。
然而,有限元法由于是连续体的近似,它不能严格的包含单个晶格缺陷的真正动力学特性,而且在该尺度上大多数的微观结构演化现象是高度非线性的。
为克服这一困难,通常采用带有固态变量的状态量方法,该方法对于完成宏观和介观尺度上的模拟是非常有效的。
2.4 人工神经网络法1> 人工神经网络人工神经网络(Artificial Neural Networks,简写为ANNs),也简称为神经网络(NNs),或称作连接模型(Connectionist Model),是对人脑或自然神经网络(Natural Neural Network)若干基本特性的抽象和模拟。
人工神经网络是以对大脑的生理研究成果为基础的,其目的在于模拟大脑的某些机理与机制,以实现某个方面的功能。
人工神经网络是由人工建立的以有向图为拓扑结构的动态系统,它通过对连续或断续的输入做出状态响应而进行信息处理。
人工神经网络的研究,可以追溯到1957年由Rosenblatt所提出的感知器模型,它几乎是与人工智能—AI(Artificial Intelligence)同时起步,但之后的30余年却并未取得人工智能那样巨大的成功,中间经历了一段长时间的萧条。
直到80年代,人们获得了关于人工神经网络切实可行的算法,以及以V on Neumann体系为依托的传统算法在知识处理方面日益显露出其力不从心后,人们才重新开始对人工神经网络发生了兴趣,导致神经网络的复兴。
目前在神经网络研究方法上已形成多个流派,最富有成果的研究工作包括:多层网络BP算法,Hopfield网络模型,自适应共振理论,自组织特征映射理论等。
人工神经网络模型主要考虑网络连接的拓扑结构、神经元的特征、学习规则等。
目前,已有近40种神经网络模型,其中有反传网络、感知器、自组织映射、Hopfield网络、波耳兹曼机、适应谐振理论等。
根据连接的拓扑结构,神经网络模型可以分为:(1) 前向网络网络中各个神经元接受前一级的输入,并输出到下一级,网络中没有反馈,可以用一个有向无环路图表示。
这种网络实现信号从输入空间到输出空间的变换,它的信息处理能力来自于简单非线性函数的多次复合。
网络结构简单,易于实现。
反传网络是一种典型的前向网络。
(2) 反馈网络网络内神经元间有反馈,可以用一个无向的完备图表示。
这种神经网络的信息处理是状态的变换,可以用动力学系统理论处理。
系统的稳定性与联想记忆功能有密切关系。
Hopfield网络、波耳兹曼机均属于这种类型。
2> 人工神经网络的主要方向理论研究:利用神经基础理论的研究成果,用数理方法探索功能更加完善、性能更加优越的神经网络模型,深入研究网络算法和性能,如:稳定性、收敛性、容错性等;开发新的网络数理理论,如:神经网络动力学、非线性神经场等。
应用研究:包括神经网络和硬件实现的研究,以及在模式识别,信号处理,知识工程,专家系统,优化组合,机器人控制等领域的研究。
3> 人工神经网络系统应用于合金设计领域合金设计涉及材料的组分、工艺、性能之间的关系,但这些内在的规律往往不甚清楚,难于建立起精确的数学模型。
人工神经网络具有很强的自学习能力,能够从已有的试验数据中获取有关材料的组分、工艺和性能之间的规律,因此特别适用于合金设计,为材料的研究提供了一条有效的新途径。
它不需要预先知道输入(材料的成分、工艺)和输出(性能要求)间存在的某种内在联系,便可以进行训练学习,并达到预测的目的,这是材料设计中其它方法难以比拟的。
若设计目标(如力学性能等)可用Y=[Y1Y2…Y m]T (Y∈R m)表示,其相关因素(如化学成分、显微组织等)用X=[X1X2…X m]T (X∈R n)表示,目的就是要找出一个从R n至R m的映射关系,使得Y = F (x)。
由于该映射为非线性映射,各相关因素对设计目标的比重不同,故可用BP网络解决该问题。
BP网络的可靠性、应用性已在广泛使用中得到证实。
基于BP网络图1-2 基于BP网络的材料性能预测模型相关因素与BP网络的输入层对应,它可以是材料的成分、各种工艺条件等;隐含层的神经元是模拟人工神经网络计算过程建立起来的,它能将各种材料的化学成分和工艺参数等数据抽象到较高层次的概念上,使神经网络具有非线性分类的能力;BP网络通过前向计算可得到输出层的输出数据,该数据则与设计目标相对应;BP网络的权值以数据文件的方式存储,其数值根据BP网络的实际输出与期望输出的误差值利用反向传播学习算法来修正。
2.5 相图研究与合金设计在20世纪的60年代初,一种相计算(PHACOMP)技术在Ni基高温合金成分设计上的应用终于揭开了合金设计的序幕.其实,那仍是一种依赖于经验的相平衡成分的计算.但是Ni 基高温合金的PHACOMP设计至少告诉我们,多元合金相图中的信息对于合金设计来说是非常重要的。
其后在70年代出现的相图计算(CALPHAD)已经是在追求应用普适性热力学模型来计算多元系的相平衡了,虽然这种计算仍依赖于由实验获得的热力学参数,但已可以说,相平衡成分的获得过程已达到了真正意义上的理性阶段。
当前,人们对于实测相图在合金研究特别是合金设计上的重要性是有足够的认识的;但是,只有在能够通过热力学计算来获得相图之后,相平衡研究才真正成为了材料设计的一部分[2]。
材料设计无论是第一原理的,还是依赖实验结果的都是一种人工智能工程。
很显然,合金设计的过程首先是确定多相相平衡成分的过程。
具有这种功能的相平衡计算程序系统的开发是国际性的。
目前,许多国家已经开发了多种这样的系统,这些系统也都得到了很好的应用。
所有这些系统都是依赖通过各种渠道所获得的热力学参数的,因此评价或评估热力学参数也同样是这些程序系统的重要功能。
由于热力学参数的重要性,除了特别的需要之外,人们不再热衷于创建新的计算方法。
而是更重视在CALPHAD的普遍模式下,积累更丰富的热力学数据。
无论实测相图还是计算相图都是材料研究的基础,而计算相图又是作为人工智能的材料设计的重要组成部分。
传统材料的开发与应用对相图的需要是人们早已熟知了的,而作为材料设计的基础的相图研究,随着人工智能进入材料领域,其重要性将越来越显示出来。
2.6 相场法相场法是一种用于描述在非平衡状态中复杂界面演变强有力的工具。
它由引入相场变量φ而得名,φ是一个有序化参数,表示系统在时间和空间上物理状态(φ=1时表示固相;φ=-1或0时表示液相;在固液界面上的值在0~1之间连续变化)。