[发明专利]一种预定硬度的Fe-Cu-C合金材料的制备方法

权利要求书

1.一种预定硬度的Fe-Cu-C合金材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用Calphad相图计算方法，将数学拟合热力学模型、正规溶体热力学模型及R-K热力学模型代入相图计算中进行迭代计算，得到Fe-Cu-C体系的热力学参数并构建Fe-Cu-C体系的相图数据库；

(2)利用第一性原理计算方法计算指定成分和温度下的Fe-Cu-C合金材料的弹性常数矩阵，采用经典拟合公式计算出体模量和剪切模量，再利用经验公式计算得到Fe-Cu-C合金材料的理论硬度；

(3)利用多元扩散偶实验方法制备实验样品，并对样品进行高分辨材料性能表征，得到材料的相结构、合金成分、弹性模量和合金硬度的实验数据；

(4)对上述计算结果和实验数据进行相互关联并验证，建立起Fe-Cu-C合金体系的大数据库；

(5)根据Fe-Cu-C合金材料的预定硬度，从所述大数据库中得到对应的制备参数，最后根据得到的参数制得所述预定硬度的Fe-Cu-C合金材料；

步骤(1)中，利用Calphad相图计算方法优化Fe-Cu-C体系热力学参数的主要步骤为：

步骤1：收集文献中Fe-Cu-C体系的热力学实验数据，对Fe-Cu-C体系选取描述其吉布斯自由能的热力学模型，采用数学拟合模型描述纯组元的吉布斯自由能，采用正规溶体模型描述体系中的液相及其他固溶体相的吉布斯自由能，采用R-K热力学模型描述正规溶体模型中自由能表达式的超额吉布斯自由能部分；

步骤2：数学拟合模型和正规溶体模型采用不同的吉布斯自由能表达式，数学拟合模型的吉布斯自由能表达式为：

G_m＝a+b×T+c×T×lnT+∑d_nTⁿ                   1.1

式1.1中，a,b,c,d为拟合参数；

正规熔体模型的吉布斯自由能表达式为：

式1.2中，^EG表示过剩吉布斯自由能，使用R-K模型描述过剩吉布斯自由能为：

^EG＝∑_i,j,ly′_iy′_jy″_lL_i,j:l+∑_i,j,ly′_ly″_iy″_jL_l:i,j                 1.3

式1.3中，L_i,j:l和L_l:i,j为需要优化的未知参数，L_i,j:l表示当第二个亚点阵中充满了l组元时，第一个亚点阵中i和j的相互作用参数；L_l:i,j表示相似的含义；

步骤3：输入式1.1和1.2中未知参数的初始值，L_i,j:l＝L_l:i,j＝10000+10×T；

步骤4：使用Calphad热力学优化软件Thermo-Calc对知参数L_i,j:k和L_k:i,j进行优化计算，使最终根据优化结果确定的吉布斯自由能表达式所绘制的相图与实验数据吻合，得到正确的参数；

步骤5：将吉布斯自由能的参数按照特定格式写进.tdb文件中，完成体系相图数据库的构建；

步骤6：通过已知的相图数据库，计算出Fe-Cu-C体系的相图，得到Fe-Cu-C体系的相图以及合金成分、温度和相结构的关系；

步骤(1)中，所述相图数据库包含了Fe-Cu-C体系的熵、焓、活度和化学势的热力学性质，所述相图数据库用于得到任意成分或任意温度的Fe-Cu-C体系的相图。

2.根据权利要求1所述的预定硬度的Fe-Cu-C合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述数学拟合模型用于描述纯组元的吉布斯自由能，所述正规溶体模型用于描述体系中的液相及其他固溶体相的吉布斯自由能，所述R-K热力学模型用于描述正规溶体模型中自由能表达式的超额吉布斯自由能部分。