材料设计与硬质合金

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1、0前言材料设计与硬质合金余立新(苏州江钻新锐硬质舍金股份有限公司，中国潜江433124)摘要：本文从材料设计的角度简要论述了目前硬质合金研究的几个主要方向：相图的计算与应用将在复杂成份硬质合金材料研究中发挥重要所用；材料的制备工艺、结构与性能之间的关系模型使人们能够更快捷方便地按使用要求设计材料。主题词：硬质合全；材料设计1923年。德国人施律特尔研制成功世界上第一件硬质合金产品以来。硬质合金作为工具材料得到了很快应用和发展，号称为工业的“牙齿”。其广泛应于切削加工，矿山开采，地质钻探，石油开发等各工业部门。经过80多

2、年的发展。硬质合金技术成为一门相对比较成熟的技术。但硬质合金产品的原材料W和Co是一种稀有资源，如何进一步提高硬质合金的使用寿命，合理利用有限的资源仍然是硬质合金行业科研人员努力的目标。本文将采用材料设计的思想来讨论硬质合金研究与发展的前景。1材料设计思想概述材料设计[11(materialsdesign)，是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论计算来“定做”具有特定性能的新材料。包含两层意思：①材料设计是人们所追求的长远目标。并非目前就能充分实现的；②由于凝聚态物理、量子化学等相关基础学科深

3、入发展。以及计算机能力的空前提高。使得材料研制过程中理论和计算的作用越来越大，直至变得不可缺少。材料设计思想最初萌发的基础是结构和功能的关系。科学技术的发展对材料的性能提出了越来越高的要求：同时为了满足特定场合的需要，要求从性能出发，寻找新的材料。材料设计的概念由此应运而生。“材料设计”设想始于20世纪50年代。在50年代初期，前苏联便开展了关于合金设计及无机化合物的计算机预报等早期工作，于1962年在理论上提出了人工半导体超晶格概念。1985年日本出版了《新材料开发与材料设计学》一书，首次提出了“材料设计学”这一专门

4、方向。1988年日本科学技术厅组织功能梯度材料的研制任务，提出将设计、合成、评估三者紧作者简介：余立新，男，1966生，博士，目前从事硬质合金及金属陶瓷复合材料的开发及应用研究．199Z黝密结合起来，按预定要求做出材料，成为材料设计学成功应用的一个典范。而美国学者把这类工作称为材料“计算机分析与模型化”，并认为这些工作将使材料科学从定性描述逐渐进入定量描述的阶段。材料设计技术在当代新材料的研究开发过程中起作越来越重要的作用，我国材料科学家师昌绪先生称[2】：“材料设计技术是21世纪初重点发展的材料科学技术，2l世纪将逐

5、步实现按需要设计材料。”材料科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构／成分、合成，流程、性能与效能。考虑到结构与成分并非同义词。相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构．从而出现不同性能。所以应为五要素，即成分、合成／流程、结构、性能与效能。连接各项点后，前者形成一个四面体(图1-)；后者则成为一个六面体(图1b)。在六面体中心为理论、材料设计、工艺设计；而且材料性能在一定条件下(如温度、气氛及受力状态等)的表现就是使用性能合成／制备结构／成分(a)(效能)。材料设计按照研究对象的空间尺度不同可划为三个层次(11：微观

6、设计层次。空间尺度为lnm量级的原子、量子设计层次；连续模型层次，典型尺度为约1灿m量级；工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。材料设计的主要途径可分为以下几类：材料知识库与数据库技术；材料设计专家系统；材料设计中的计算机模拟；基于第一性原理的计算。在黑色金属领域。对于研究对象建立了足够的数学关系式。利用这些数学关系式可以计算以上五个方面之间的相互关系。在硬质合金领域，虽然有部分结果，但还不全面。但目前已有的研究表明。硬质合金结构和使用性能之间的关系要比力学性能和使用性能之间的关系更

7、明确一些。以下试图以材料设计的思想来探讨硬质合金的研究方法和内容。(使用性能)(b)图1材料科学与工程的内涵金材料五个方面的相互关系来展开。2相图计算及在硬质合金研究中的应用硬质合金成份、结构关系可以根据相图来确定。相图描述的是热力学平衡条件下体系中的相关系。是开发新材料的方法由单凭经验的“炒菜”发展到预测并设计材料的基础条件之一。Wyman和Kelley在1931年最先研究了WC—Co相图。Takeda于1936年研究了W—Co—C三元系相图。Gruter于1959年提出了WC—Co合金伪二元相图。解释了相对较高C含

8、量合金在快冷条件下出现Tl相的原因。这些相图对硬质合金的生产和质量控制起了重要的指导作用(3】。近年，硬质图2含Col0％的W—Co-C三元系相图表1WLCo-C-V体系中。不同温度下V在液相Co中的溶解度EquilibriumT(℃)1％vP／,Co)CBxp。J％VI％ColCalc．JLiq．+fcc-Co+MC+WC+gr