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说起相图两个字,我就想起数年以前在大学课堂上的一个情景。当时,站在讲台上的教授翻出教材,指着书中画着的Fe-C相图大声说道:今天我们讲一个很重要的相图,作为一个金属材料专业的学生,必须牢牢记住它,乃至于到了进坟墓的那一刻还能画出来。。。
当然,今天并不是想讲Fe-C 相图是怎么画的,而是想介绍相图计算。
大家都知道,可以通过实验的方式测试得到相图。但是,实验测定相图需要耗费大量的人力与物力,在高温、高压、有腐蚀性气体参与反应的条件下,还将面临成分控制、容器选择和高温测量等方面的困难,而且实验测定总是有限的、片面的,无法对体系的相图和热力学性质作一个完整、全面的了解。
那么,相图计算就是一个方便的解决方案,他通过运用热力学原理计算系统的相平衡关系并绘制出相图。
引入相图计算后,只需要对体系中相图的部分关键区域和某些关键相的热力学数据进行实验测量就可以优化出Gibbs自由能模型参数,外推计算出整个相图,建立起该体系完整的相图热力学数据库。从而大大减少了相图研究的工作量,有可能避开可能出现的实验困难。
简单来说,相图计算可以有6个重要的优势或者说意义
(1)可以用来判别实测相图数据和热化学数据本身及它们之间的一致性,从而对获得的不同实验结果进行合理的评估,为使用者提供准确可靠的相图信息;
(2)可以外推和预测相图的亚稳部分,从而得到亚稳相图;
(3)可以外推和预测多元相图,计算多元相平衡,为实际材料设计与加工工艺的制订作参考;
(4)通过计算Gibbs自由能曲线,可以预测无扩散相变的成分范围;
(5)可以提供相变动力学研究所需的相变驱动力、活度等重要信息;
(6)可以方便的获得不同热力学变量为坐标的各种相图形式,以便用于不同条件下的材料制备与使用过程的研究与控制。
那么,为什么通过相图计算可以得到相图呢?
相图计算的实质是根据目标体系中各相的晶体结构、磁性有序和化学有序转变等信息,建立起各相的热力学模型,并由这些模型构筑各相的吉布斯自由能表达式,最后通过平衡条件计算相图。其中,各相热力学模型中的待定参数根据文献报导的相平衡及热力学性质数据并借助于相图计算软件优化获得。在所获得低组元体系(一般为二元和三元系)热力学参数的基础上通过外推或者添加少量的多元参数可获得多元体系的相图和热力学信息。
通常情况下在材料的加工过程我们控制温度、压力与成分,因此在相图计算过程中我们选Gibbs自由能作为模型函数。
对于物质一定但与外界有能量交换的体系(封闭体系),恒温恒压过程总是朝吉布斯(Gibbs)自由能降低的方向进行,平衡状态下体系总的吉布斯自由能最低,每一组元在各相中的化学位相等。如果知道在所有温度下自由能—成分曲线,通过求自由能最小或解化学位相等方程我们就可以计算出相图 。
为了计算相图我们需要知道自由能曲线的亚稳部分,纯元素亚稳组态的自由能与亚稳相转变点。
相图优化和计算过程可以简单地分成五步:
(1)实验数据的收集与评估。评估的目的主要根据作者所采用的实验方法判断实验数据的准确性,选择符合热力学原理,且相对更合理的实验数据。
(2)自由能模型的选用。根据相的结构,选择合理的模型,并可以通过外推计算多元系来验证。
(3)利用实测的相图与热化学数据优化出Gibbs自由能表达式中的待定参数;再采用适当的算法和相应的计算机程序在计算机上按相平衡条件计算相图。
(4)计算结果与实验数据比较和分析。如果两者相差较大,则调整待定参数或重新选择热力学模型,再进行一次优化计算,直至计算结果与大部分相图数据与热化学数据在实验误差范围内吻合。
(5)优化后所有的相图与热力学数据通过热力学模型联结为一个自洽的整体,最后以模型参数方式贮存起来形成相图热力学数据库。
现在,已经有成熟的相图计算软件可以开展相图计算。
相图计算软件本质上是将热力学模型和计算原理与大型数值计算和强大的计算机处理功能相结合,不仅可以实现多元多相平衡计算,给出各种形式的稳定和亚稳相图,同时还可以得到其它与材料的制备和使用密切相关的参数。
常用的相图热力学计算软件(Thermo-Calc、Fact Sage、Pandat、Jmatpro)的主要功能和特点如下。这里简单列一下它们各自的特点
1、Thermo-Calc软件
Thermo-Calc软件现已成为数据齐全、功能强大、结构较为完整的计算系统,是目前世界上享有相当声誉的热力学计算软件。
利用Thermo-Calc 软件可以进行相平衡计算(如液相线及固相线温度、各相的成分及比例等)、相图计算及热力学量的计算,还可以将热力学数据制成表格、计算化学反应的热力学函数变化及驱动力、评价化学系统的相平衡及相转换,并且通过自动绘图程序绘制各种相图。
2、Fact Sage软件
Fact Sage软件是ChemSage/SOLGA-SMIX两个热化学软件包的结合。具有数据库内容丰富、计算功能强大以及Windows 平台下的操作简易等优势。
Fact Sage软件除多元多相平衡计算外,还可进行相图、优势区图、电位-pH图的计算与绘制,热力学优化、作图处理等。
Fact Sage软件应用范围包括材料科学、火法冶金、湿法冶金、电冶金、腐蚀、玻璃工业、燃烧、陶瓷、地质等。
FactSage 5.5数据库包括:
(1)包含了4517种化合物的纯物质数据库;
(2)包含20种元素的氧化物数据库;
(3)包含20种阳离子及8种阴离子的熔盐数据
(4)包含Pb,Sn,Fe,Cu,Zn等常见合金体系、熔锍体系与部分水溶液体系的综合数据库;
(5)用于如电解铝、造纸工业、高纯硅等具体工业过程的特定数据库。
除此之外,Fact Sage 还可使用SGTE等国际上其他知名数据库,并提供了用户建立私有数据库的功能。
3、Pandat软件
Pandat 软件包的最大优点是即使自由能函数在一定成分范围内具有多个最低点的情况下,不具有相图计算专业知识和计算技巧的使用者也能在不设定计算初值的情况下使用,Pandat 软件还可自动搜索多元多相体系的稳定平衡。
Pandat 软件的主要功能包括计算功能、编辑功能和高级功能。计算功能主要涵盖:
(1)相图计算:可计算二元系、三元系及多元系平衡相图(等温截面、等值截面、用户自定义截面);
(2)液相线计算:可自动计算出液相线(熔点)及一次析出相,并可画出等温线;
(3)凝固计算:输出信息包括固相分数、密度、比热、焓等随温度变化的曲线;
(4)相图优化:用于评估一系列相图和热化学数据,并得到热力学模型参数,可在Windows 界面下操作进行相图优化。
Pandat 软件的主要特点是:友好的操作界面,易学易用;计算结果稳定可靠;无需用户输入初始值与估算值,软件自动寻找平衡点;支持用户自定义数据库,为各种相图及热力学计算提供了功能强大的计算平台。
4、Jmatpro软件
JMatPro 是以强大而稳定的热力学模型、热力学数据为核心技术和计算基础的,所有物理模型的建立都经过了广泛的验证,以确保材料性能计算的准确性。JMatPro 的计算速度非常快,通常情况下都能在一分钟之内完成。快速运算的最直接的优势是,用户可以快速实验自己的材料配方,并在自己的电脑前完成想要的计算。
主要功能包括:
(1)稳态和亚稳态的相图计算。用户可以计算多元合金体系相图等成分面,也可以计算随温度变化或随成分变化的多元合金的相图。
(2)物理性能计算-用于材料 CAE 模拟。可以计算出材料的性能与温度之间的关系,还可以同时计算出合金中每个相的性能数据,以及计算出凝固过程中的相图。
(3)机械性能。可以计算室温和高温条件下材料的力学性能。
(4)相变计算:马氏体转变,钢焊接热循环以及多道次热轧计算,TTT/CCT 曲线等。
本文由材料人专栏科技顾问杨树供稿,材料人编辑张文荣整理。
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