THERMO-CALC&DICTRA-热力学计算

THERMO-CALC&DICTRA热力学计算（相图部分）THERMO-CALC&DICTRA是由瑞典皇家工学院为进行热力学与动力学计算而专门开发的热力学相计算软件。经过几十年的完善发展，现已成为功能强大、结构较为完整的计算系统，是目前在世界上享有相当声誉且具有一定权威的计算软件；THERMO-CALC&DICTRA是进行热力学模拟计算的，包括相图计算（二元、三元相图，等温相图，等压相图等，最多可达到五个自由变量）；纯物质、化合物、液相和化学反应的热力学计算；Gibbs自由能计算；平衡、绝热温度的计算；平衡相图、非平衡相图、超平衡相图的计算；燃烧、重熔、烧结、燃烧、腐蚀生成物的计算；稳态反应热力学；集团变分法模拟计算；气象沉积计算；薄膜、表面氧化层形成计算；Scheil-Gulliver凝固过程模拟计算；卡诺循环的模拟；数据库的建立和完善等；该软件可以处理多组元系统，我们可以通过热力学计算，查看多元合金体系中某一合金元素含量的变化对相图中不同相稳定性的影响等，如图1所示。下面是已知论文中用热了学计算得到的相图与经过试验计算得到的相图比较：从图中可以看出，各个相取得组织组成略有差别，但是差别不是很大。图中标出的相有的是在计算时可以去除的。像其中的Cr3O4相就可以省去，因为计算中它的含量很少。如图2所示。该软件的相图计算方法构型图3表示。图1Fe-4Cr-5Mo-8W-0.3Mn-0.3Si-C(wt.%)相组成图曲线表示相的出现或消失，即相线；数字表示出现的相成分。图2文献图与实验图比较（左：文献图；右：软件计算图）热力学模型电子理论优化实验相图热力学数据（活度、形成焓等）数据库（存储热力学参数）计算相图图3相图计算方法图解THERMO-CALC系统THERMO-CALC系统本身有600多个子程序，可以分成若干个功能模块。模块之间通过规定的界面借口进行动作。它以数据库和模型作为信息来源和计算基础，通过几个有各自不同功能的模块进行相应的计算或操作。1.数据库THERMO-CALC现有几套不同的数据库，如铁基数据库、钢数据库、炉渣数据库及考夫曼数据库等。其中的数据都是从试验测得结果经评估获得。实验室现有的数据库包括：（1）铁基数据库：TCFE3;（2）镁基数据库：TTMG;（3）附加的数据库：PAQ2、PCHAT、PG35、PGEO、PKP、PBIN、PION、PSUB、PTERN、PURE4、PFRIB、USER、COST2。相图的计算离不开热力学数据，而精确的数据往往是通过试验得到的。只有对这些数据进行正确的归纳、整理和分析，使之成为相图计算中有用的资料，才能求得与实际情况相符的相图。进行相图的计算所用到的数据是一个庞大的数据集合，而THERMO-CALC中的数据是经过科学的方法整理，存储与数据库中，用到时调来使用即可。但是用户得注意数据的使用条件，不同数据库中的数据一般是不好窜用的。这需要根据数据库的说明来具体采取措施。数据库中包括每个系统所专用的模型信息和各种参数的定义及参数值，如：纯组元在参考态下的吉布斯自由能、组元在不同相中的吉布斯自由能和各种金属间化合物的吉布斯自由能，以及液固相的相平衡、平衡成分、组成相的体积分数，还有活度、形成焓、表面张力、粘度等热化学特征。当合金中所有相的热力学模型确定后，且模型参数也可由数据库提供（提供不了的要通过试验获得，并经优化处理），利用相应的软件便可进行相图计算了。TCFE3数据库（铁库）TCFE3中包含的元素有：Al、B、C、Co、Cr、Cu、Fe、Mg、Mo、Mn、N、Nb、Ni、O、P、S、Si、Ti、V、W；使用条件：各元素含量（%）Al5.0Cu1.0Nb5.0V5.0C5.0Mn20.0Ni20.0W15.0Co15.0Mo10.0Si5.0Cr30.0N1.0Ti2.0Femin50B、Mg、P、S、OTrace数据库中的各个相描述：PhaseDatabasePhaseDatabasePhaseDatabaseAusteniteFCC#1FerriteBCCα-MnCBCC-A12M(C,N)xFCC#2M2(C,N)HCP#2β-MnCUB-A132.模块1）数据读取模块（DATABASE_RETRIEVAL）：用于定义合金系统选择合金元素，并从数据库中搜索、定位及提取各种所需要的参数数据；列出合金中所涵盖的相及成分等。2）Poly-3模块：用于定义使用者想要计算的相平衡或相图的条件，如：组分、温度及活度等，并列出计算所得的每一项的成分。该模块可用来计算单个相平衡，也可绘制一至三维的相图或投影图。其所具有的后处理功能可以允许使用者将相关的热力学数据制成表格，或依照使用者的意图，选择相关的量和比例尺，将结果以其他方式表达出来。3）热力学模型模块：为每一个相选择合适的热力学模型。热力学模型的选择决定了各项的吉布斯自由能与参数的相关程度。同时模块也会列出所有从数据库中读取的热化学信息（也可交互式输入）及参数的表达式。4）Scheil模块（SCHELL_SIMULATION）：用于模拟非平衡凝固行为，利用THERMO-CALC模块可以做相平衡计算（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、计算化学反应的热化学变化及驱动力、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多元相图。目前，许多外国非专业热力学计算的材料工作者都利用它来进行热力学计算。5）SYSTEM_UTILITIES模块：用于进行模块间连接设置，建立和执行宏文件，搜索指令信息，进行综合设置。这对相图计算，并获得计算结果以及便利的执行多种计算任务是十分必要的。还可以进行用户界面、命令单元设置，错误状态报告，文件列表等操作。6）TABULATION_REACTION模块：用于将任一种物质，化学计量比化合物或是液相，反应的热力学函数计算得到的数据制成表格。目前，该模块在均一的稳定态或是反应的稳态物质计算中用得较多，且计算结果会以表格形式或是制成图形方式列出。7）GIBBS-ENERGY-SYSTEM（GES）模块：是THERMO-CALC的基本模块，包含完整的热力学计算的子程序块。任意应用程序进行热力学计算时均可调用该模块的子程序。该模块与所有THERMO-CALC模块相关联，除非需要进行输入数值，一般用户不需要使用GES模块。模块包含有由各种热力学模型建立的子程序，但是多数与模型相关的特征潜藏在模块中，用户需要用一系列标准子程序进行计算。POLY和DICTRA模块在进行计算时会自动调用GES模块中相应的子程序进行相应的热力学计算。可通过用户界面输入一系列常用命令，输入和修改相状态以及热力学参数值等。8）BINARY_DIAGRAM_EASY模块：用于二元相图的计算，并得到相应的二元相图。9）FUNC_OPT_PLOT模块：用于函数输入，进行计算画出相图。10）REACTOR_SIMULATOR_3模块：用于模拟材料的各个反应阶段的稳态反应、不同反应阶段的能量转换以及绝热条件，与TDB模块相联，从TDB模块取得定义体系的热力学数据，从GES模块取得各个相的热力学数据的模型和进行需要的计算，并在POLY-3模块中执行多阶段稳态反应的局部平衡计算，列出各个反应阶段的模拟计算的结果。11）PARROT模块：包含许多子程序快，用于计算由试验获得的一系列描述平衡态或各种不同反应体系动态过程的热力学和动力学模型参数，并对得到的数据进行优化。优化后的这些数据就可应用于其它模块中。12）DICTRA-MORNITOR模块：用于扩散方程式的求解；热力学方程的计算；熔体平衡方程式的求解；相界面的移动和晶格点阵变化的模拟计算。13）POTENTIAL_DIAGRAM模块：用于气相——金属反应体系，在一定压力、温度条件下，察看不同形态含金属的氧化物、硫化物、碳化物、硅化物、氮化物等形成与混合气相的关系。用各种命令行就可以计算和画出各种各样的金属——气相作用体系的位图。14）POURBAIX_DIAGRAM模块：用于除了其它影响因素如：体积分数、温度、压力等外，水溶液中不同组成相（气相、化学计量比固态化合物以及固溶体）之间的基于酸度值pH和电位Eh的计算。15）TERNARY_DIAGRAM模块：用于计算三元相图，得到三角形的三元相图。操作步骤：1.双击桌面上图标，进入下图所示操作界面；2.在光标处输入相应的命令，如SET-LOG-FILE，用以生成指令文件，可以根据该指令文件查出相图计算的具体操作过程（各次输入的命令操作），如下图所示；3.进入模块：在各模块中用命令执行相图计算所需要的操作，如：输入需要计算的体系，Fe-C-Cr-V-W-Mo-Si-N-Ni;读取数据，进入POLY-3模块进行平衡相图的计算，并得到想要的相图。下面简单介绍一下该软件相图计算的操作过程，以Fe-C-Cr三元系为例。在多元合金的计算中，操作过程与上述介绍的类似，只是用到的数据更多，计算量更大，数据处理的过程中用到的热力学模型更多。下面是多元合金（超过三种元素但少于40种元素，因为该软件所能处理的元素含量最多即为40种）计算过程，限于演示软件最多只能计算三元相图，部分操作只能再次以图片方式显示。进入数据模块后是要进行相图计算体系的输入，输入的方式和刚才三元合金系的相似，用DEFINE-SYSTEM命令。VA表示的是间隙相，是系统默认的，与采用的热力学模型有关。TCFE3模块中的命令行，与演示版本中的一样。DEFINE-SYSTEMLIST-SYSTEMn=1表示的是当各成分是以分数型式输入时，整个体系示为“单位1”；当数据以各自的重量形式输入（即存在超过1值时）n=1这个式子就不再有意义，系统自会处理。自由度，在相平衡时自由度为零。在进行相平衡计算时，必须是在自由度为零的情况下，否则系统会提示出错。出现系统提示，有时需要根据提示进行相应的操作调整。在这个计算过程中，可以把它当成是警告，而不必根据提示操作。在输入MAP命令之前，需要进行文档保存，便于今后计算时直接调用或是便于在其它模块中读取文件，减少重复的操作。菜单栏工具栏A:字体，可以进行字体设置，如：字号、字体颜色、字体、下划线、阴影等设置；→：箭头设置，可以在得到的相图中进行箭头指示，标出特定区域或作出标记，如：箭头大小、颜色、箭头粗细、箭头位置等的设置；：显示标题；：THERMO-CALC软件计算出的相图的标记；F：W:C:DB:显示数据库；