Thermodynamics for materials design

Division oí Physical Metallurgy, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden.

Abstract

The materials design concept means that the material scientist tries to develop a material to meet specific requirements set forward by the application. These requirements can be quite complex and include not only strength and ductility but also corrosion resistance, formability etc. In most cases a standard material "from the shelf' can be used but, in particular, space applications have need for materials that have better performance than any standard material. But the cost in time and experimental work to develop a new alloy in a traditional way is high.

Recently thermodynamic calculations has been tried successfully in a number of cases in order to reduce the cost by predicting both new compositions and temperatures for heat treatments. The necessary requirement for this success is an assessed thermodynamic database like the SGTE databases with sophisticated software provided by the Thermo-Calc system. By use of predictions from these calculations the number of experiments of composition and heat treatment temperatures can be reduced from several hundreds to a couple of critical cases.

This development shows the important coupling between practical applications, thermodynamic modelling and assessment of consistent databases. A further aspect is that this work highlights areas for new thermodynamic experiments.

Résumé

L'idée de conception de matériaux suppose que le spécialiste essaie de développer un produit qui doit répondre à des besoins spécifiques en vue d'applications. Ces besoins peuvent être complexes et ne pas se limiter à la résistance mécanique et à la ductilité. Ils peuvent aussi bien concerner la résistance à la corrosion, l'aptitude au formage ... Dans la plupart des cas, un matériau standard peut être utilisé, mais des applications spéciales ont exigé des matériaux de performances supérieures à tout ce qui était disponible. Le coût en travail expérimental et en temps de développement de nouveaux alliages par la voie traditionnelle est élevé.

Récemment, pour réduire ces coûts expérimentaux, des calculs thermodynamiques ont été essayés avec succès dans un certain nombre de cas afin de prévoir de nouvelles compositions et de nouveaux traitements thermiques. Les éléments nécessaires pour y parvenir sont une base de données optimisées, telle celles du SGTE et les logiciels sophistiqués du système Thermo-Calc. En utilisant les prévisions fournies par les outils logiciels, il est possible de diminuer le nombre des expériences de détermination de compositions et de traitements thermiques de quelques centaines à quelques unités réservées à des cas critiques.

Ceci montre l'importance du lien entre applications pratiques, modélisation thermodynamique et optimisation de banques de données cohérentes. Un aspect supplémentaire du travail d'optimisation est qu'il souligne plusieurs domaines dans lesquelles de nouvelles expériences thermodynamiques sont nécessaires.