一種理論計(jì)算材料平衡相圖方法的介紹

摘 要：研制一種新型的材料，了解其準(zhǔn)確的相圖和熱力學(xué)信息是十分必要的，本文介紹了一種通過(guò)理論計(jì)算得到材料平衡相圖的方法，即CALPHAD方法，同時(shí)介紹了一種以該方法為基礎(chǔ)熱力學(xué)計(jì)算軟件系統(tǒng)——Thermo-Calc軟件。

關(guān)鍵詞：相圖計(jì)算;CALPHAD方法;Thermo-Calc軟件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.225

1 合金相圖

相圖是指物質(zhì)體系在熱力學(xué)平衡的條件下，各相之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)變關(guān)系的幾何圖形描述，是研究凝固過(guò)程，晶體生長(zhǎng)和固態(tài)相變等問(wèn)題的基礎(chǔ)，被認(rèn)為是材料設(shè)計(jì)和材料性能優(yōu)化的地圖，其重要意義得到了材料領(lǐng)域、冶金領(lǐng)域科研人員的廣泛認(rèn)可[1]。按照獲得相圖的方法可以分為實(shí)驗(yàn)相圖、理論相圖和計(jì)算相圖三種。

一般情況下，獲得合金相圖的主要方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法得到實(shí)驗(yàn)相圖，但是單純通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得合金相圖具有局限性，比如，從經(jīng)濟(jì)效益角度上講，需要消耗大量的人力、物力，從實(shí)驗(yàn)操作角度上講，獲得實(shí)驗(yàn)相圖需要在高溫、高壓的條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)反應(yīng)需要使用腐蝕性氣體，為了滿足實(shí)驗(yàn)條件的需要還需進(jìn)行容器選擇，同時(shí)高溫條件下測(cè)量難以控制，實(shí)驗(yàn)材料的成分也難以有效控制，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得全面的、完整體系相圖是需要相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)量，幾乎是無(wú)法完成的。因此，尋求獲得相圖的新方法是十分必要的。

計(jì)算相圖就是一種獲得材料相圖的新途徑，該方法是以材料熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算獲得新材料物質(zhì)體系中各相的熱力學(xué)性質(zhì)，從而獲得計(jì)算相圖的一種方法。

2 CALPHAD方法

早在20世紀(jì)初，科學(xué)家們就開(kāi)始了通過(guò)計(jì)算方法獲得相圖的嘗試，Van Laar是最早從事二元相圖計(jì)算研究的科學(xué)家，不過(guò)在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，相圖計(jì)算的進(jìn)展一直十分緩慢，并且僅限于單個(gè)簡(jiǎn)單的體系，直到60年代末期，在熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、溶液理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)等有力的工具的幫助下，計(jì)算相圖才得到了很大的發(fā)展，進(jìn)而成為獲得材料相圖資料的有效方法之一，從70年代以后，相圖研究已經(jīng)不再以實(shí)驗(yàn)測(cè)定作為主要方法，而是進(jìn)入了熱力學(xué)計(jì)算方法為主的新的研究階段，即CALPHAD方法，CALPHAD為CALculation of PHAse Diagram的英文簡(jiǎn)寫(xiě)[2]。

CALPHAD方法是以物質(zhì)體系的熱力學(xué)信息為基礎(chǔ)，運(yùn)用第一性原理、統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)公式等理論建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)信息，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具，建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型、優(yōu)化擬合參數(shù)，并且建立起能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用精度要求的數(shù)據(jù)庫(kù)，可用于多元材料體系真實(shí)材料的熱力學(xué)信息的計(jì)算。人們可以利用CALPHAD方法獲得物質(zhì)體系的具有熱力學(xué)自洽性的相圖和描述各相熱力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)化參數(shù)[3]。

3 Thermo-Calc軟件

Thermo-Calc軟件是以CALPHAD方法為理論基礎(chǔ)，由瑞典科學(xué)家Mats Hillter領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)發(fā)的，具有強(qiáng)大的材料熱力學(xué)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)齊全、功能眾多、使用靈活，用于進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算的軟件系統(tǒng)。該軟件具有進(jìn)行相平衡計(jì)算，相圖計(jì)算和相變計(jì)算，評(píng)估材料熱力學(xué)參數(shù)等功能。因此，科研人員可以運(yùn)用該軟件預(yù)測(cè)新型材料的熱力學(xué)信息，計(jì)算物質(zhì)體系相圖，幫助解決科研工作中的實(shí)際問(wèn)題，該軟件在高性能新型材料的研制工作中得到廣泛應(yīng)用。例如，山特維克鋼鐵公司在開(kāi)發(fā)研制新型雙相鋼SAF2304和SAF2507時(shí)，就是運(yùn)用Thermo-Calc軟件進(jìn)行熱力學(xué)相關(guān)計(jì)算，預(yù)測(cè)奧氏體和鐵素體含量相同的材料成分，對(duì)新鋼種的材料成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明，Thermo-Calc軟件可以對(duì)合金材料相圖的熱力學(xué)信息進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)[1]。

以一種新型貝氏體鋼為例，材料成分見(jiàn)表1，采用Thermo-Calc軟件計(jì)算該材料的偽二元平衡相圖，結(jié)果測(cè)得，該材料液相線溫度和固相線溫度分別為1449 ℃和1328 ℃，A1b為729 ℃、A1f為750 ℃，Acm為768 ℃。因此，可以看到Thermo-Calc軟件可以有效計(jì)算新材料相圖，幫助從理論上解決材料熱力學(xué)方面的實(shí)際問(wèn)題，指導(dǎo)研制高性能新型材料的科研工作。

4 結(jié)論

（1）計(jì)算相圖就是一種獲得材料相圖的途徑，以熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)的CALPHAD 方法是通過(guò)計(jì)算獲得材料相圖有效方法。

（2）Thermo-Calc軟件是以CALPHAD 方法為基礎(chǔ)的計(jì)算材料相圖的熱力學(xué)計(jì)算軟件系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于在新材料研制過(guò)程中，從理論上獲得材料熱力學(xué)有效的信息，從而幫助解決實(shí)際問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]周凡.含Al/Si貝氏體鋼相變熱力學(xué)和相變動(dòng)力學(xué)研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2011.

[2]于濤.多類(lèi)型超細(xì)碳化物高碳合金鋼的平衡相計(jì)算及熱處理研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2007.

[3]魯曉剛，王卓，CUI YuWen，金展鵬.計(jì)算熱力學(xué)、計(jì)算動(dòng)力學(xué)與材料設(shè)計(jì)[J].科學(xué)通報(bào)，2013，58（35）：3656-3664.