THERMO-CALCDICTRA熱力學(xué)計(jì)算課件

THERMO-CALC&DICTRA熱力學(xué)計(jì)算（相圖部分）THERMO-CALC&DICTRA是由瑞典皇家工學(xué)院為進(jìn)行熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算而專門開(kāi)發(fā)的熱力學(xué)相計(jì)算軟件。經(jīng)過(guò)幾十年的完善發(fā)展，現(xiàn)已成為功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)較為完整的計(jì)算系統(tǒng)，是目前在世界上享有相當(dāng)聲譽(yù)且具有一定權(quán)威的計(jì)算軟件；THERMO-CALC&DICTRA是進(jìn)行熱力學(xué)模擬計(jì)算的，包括相圖計(jì)算（二元、三元相圖，等溫相圖，等壓相圖等，最多可達(dá)到五個(gè)自由變量）；純物質(zhì)、化合物、液相和化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算；Gibbs自由能計(jì)算；平衡、絕熱溫度的計(jì)算；平衡相圖、非平衡相圖、超平衡相圖的計(jì)算；燃燒、重熔、燒結(jié)、燃燒、腐蝕生成物的計(jì)算；穩(wěn)態(tài)反應(yīng)熱力學(xué)；集團(tuán)變分法模擬計(jì)算；氣象沉積計(jì)算；薄膜、表面氧化層形成計(jì)算；Scheil-Gulliver凝固過(guò)程模擬計(jì)算；卡諾循環(huán)的模擬；數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和完善等；該軟件可以處理多組元系統(tǒng)，我們可以通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，查看多元合金體系中某一合金元素含量的變化對(duì)相圖中不同相穩(wěn)定性的影響等，如圖1所示。

下面是已知論文中用熱了學(xué)計(jì)算得到的相圖與經(jīng)過(guò)試驗(yàn)計(jì)算得到的相圖比較：從圖中可以看出，各個(gè)相取得組織組成略有差別，但是差別不是很大。圖中標(biāo)出的相有的是在計(jì)算時(shí)可以去除的。像其中的Cr3O4相就可以省去，因?yàn)橛?jì)算中它的含量很少。如圖2所示。

該軟件的相圖計(jì)算方法構(gòu)型圖3表示。

圖2文獻(xiàn)圖與實(shí)驗(yàn)圖比較（左：文獻(xiàn)圖；右：軟件計(jì)算圖）熱力學(xué)模型電子理論優(yōu)化實(shí)驗(yàn)相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)（活度、形成焓等）數(shù)據(jù)庫(kù)（存儲(chǔ)熱力學(xué)參數(shù)）計(jì)算相圖

圖3相圖計(jì)算方法圖解THERMO-CALC系統(tǒng)THERMO-CALC系統(tǒng)本身有600多個(gè)子程序，可以分成若干個(gè)功能模塊。模塊之間通過(guò)規(guī)定的界面借口進(jìn)行動(dòng)作。它以數(shù)據(jù)庫(kù)和模型作為信息來(lái)源和計(jì)算基礎(chǔ)，通過(guò)幾個(gè)有各自不同功能的模塊進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算或操作。1.數(shù)據(jù)庫(kù)THERMO-CALC現(xiàn)有幾套不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，如鐵基數(shù)據(jù)庫(kù)、鋼數(shù)據(jù)庫(kù)、爐渣數(shù)據(jù)庫(kù)及考夫曼數(shù)據(jù)庫(kù)等。其中的數(shù)據(jù)都是從試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果經(jīng)評(píng)估獲得。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)包括：（1）鐵基數(shù)據(jù)庫(kù)：TCFE3;（2）鎂基數(shù)據(jù)庫(kù)：TTMG;（3）附加的數(shù)據(jù)庫(kù)：PAQ2、PCHAT、PG35、PGEO、PKP、PBIN、PION、PSUB、PTERN、PURE4、PFRIB、USER、COST2。TCFE3數(shù)據(jù)庫(kù)（鐵庫(kù)）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；使用條件：各元素含量（%）Al5.0Cu1.0Nb5.0V5.0C5.0Mn20.0Ni20.0W15.0Co15.0Mo10.0Si5.0Cr30.0N1.0Ti2.0Femin50B、Mg、P、S、OTrace數(shù)據(jù)庫(kù)中的各個(gè)相描述：PhaseDatabasePhaseDatabasePhaseDatabaseAusteniteFCC#1FerriteBCCα-MnCBCC-A12M(C,N)xFCC#2M2(C,N)HCP#2β-MnCUB-A132.模塊1）數(shù)據(jù)讀取模塊（DATABASE_RETRIEVAL）：用于定義合金系統(tǒng)選擇合金元素，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索、定位及提取各種所需要的參數(shù)數(shù)據(jù)；列出合金中所涵蓋的相及成分等。2）Poly-3模塊：用于定義使用者想要計(jì)算的相平衡或相圖的條件，如：組分、溫度及活度等，并列出計(jì)算所得的每一項(xiàng)的成分。該模塊可用來(lái)計(jì)算單個(gè)相平衡，也可繪制一至三維的相圖或投影圖。其所具有的后處理功能可以允許使用者將相關(guān)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)制成表格，或依照使用者的意圖，選擇相關(guān)的量和比例尺，將結(jié)果以其他方式表達(dá)出來(lái)。3）熱力學(xué)模型模塊：為每一個(gè)相選擇合適的熱力學(xué)模型。熱力學(xué)模型的選擇決定了各項(xiàng)的吉布斯自由能與參數(shù)的相關(guān)程度。同時(shí)模塊也會(huì)列出所有從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的熱化學(xué)信息（也可交互式輸入）及參數(shù)的表達(dá)式。穩(wěn)態(tài)物質(zhì)計(jì)算中用得較多，且計(jì)算結(jié)果會(huì)以表格形式或是制成圖形方式列出。7）GIBBS-ENERGY-SYSTEM（GES）模塊：是THERMO-CALC的基本模塊，包含完整的熱力學(xué)計(jì)算的子程序塊。任意應(yīng)用程序進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算時(shí)均可調(diào)用該模塊的子程序。該模塊與所有THERMO-CALC模塊相關(guān)聯(lián)，除非需要進(jìn)行輸入數(shù)值，一般用戶不需要使用GES模塊。模塊包含有由各種熱力學(xué)模型建立的子程序，但是多數(shù)與模型相關(guān)的特征潛藏在模塊中，用戶需要用一系列標(biāo)準(zhǔn)子程序進(jìn)行計(jì)算。POLY和DICTRA模塊在進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用GES模塊中相應(yīng)的子程序進(jìn)行相應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算。可通過(guò)用戶界面輸入一系列常用命令，輸入和修改相狀態(tài)以及熱力學(xué)參數(shù)值等。8）BINARY_DIAGRAM_EASY模塊：用于二元相圖的計(jì)算，并得到相應(yīng)的二元相圖。9）FUNC_OPT_PLOT模塊：用于函數(shù)輸入，進(jìn)行計(jì)算畫出相圖。10）REACTOR_SIMULATOR_3模塊：用于模擬材料的各個(gè)反應(yīng)階段的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)、不同反應(yīng)階段的能量轉(zhuǎn)換以及絕熱條件，與TDB模塊相聯(lián)，從TDB模塊取得定義體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，從GES模塊取得各個(gè)相的熱力學(xué)數(shù)據(jù)的模型和進(jìn)行需要的計(jì)算，并在POLY-3模塊中執(zhí)行多階段穩(wěn)態(tài)反應(yīng)的局部平衡計(jì)算，列出各個(gè)反應(yīng)階段的模擬計(jì)算的結(jié)果。11）PARROT模塊：包含許多子程序快，用于計(jì)算由試驗(yàn)獲得的一系列描述平衡態(tài)或各種不同反應(yīng)體系動(dòng)態(tài)過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，并對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的這些數(shù)據(jù)就可應(yīng)用于其它模塊中。12）DICTRA-MORNITOR模塊：用于擴(kuò)散方程式的求解；熱力學(xué)方程的計(jì)算；熔體平衡方程式的求解；相界面的移動(dòng)和晶格點(diǎn)陣變化的模擬計(jì)算。13）POTENTIAL_DIAGRAM模塊：用于氣相——金屬反應(yīng)體系，在一定壓力、溫度條件下，察看不同形態(tài)含金屬的氧化物、硫化物、碳化物、硅化物、氮化物等形成與混合氣相的關(guān)系。用各種命令行就可以計(jì)算和畫出各種各樣的金屬——?dú)庀嘧饔皿w系的位圖。14）POURBAIX_DIAGRAM模塊：用于除了其它影響因素如：體積分?jǐn)?shù)、溫度、壓力等外，水溶液中不同組成相（氣相、化學(xué)計(jì)量比固態(tài)化合物以及固溶體）之間的基于酸度值pH和電位Eh的計(jì)算。15）TERNARY_DIAGRAM模塊：用于計(jì)算三元相圖，得到三角形的三元相圖。3.進(jìn)入模塊：在各模塊中用命令執(zhí)行相圖計(jì)算所需要的操作，如：輸入需要計(jì)算的體系，F(xiàn)e-C-Cr-V-W-Mo-Si-N-Ni;讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)入POLY-3模塊進(jìn)行平衡相圖的計(jì)算，并得到想要的相圖。

下面簡(jiǎn)單介紹一下該軟件相圖計(jì)算的操作過(guò)程，以Fe-C-Cr三元系為例。在多元合金的計(jì)算中，操作過(guò)程與上述介紹的類似，只是用到的數(shù)據(jù)更多，計(jì)算量更大，數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中用到的熱力學(xué)模型更多。下面是多元合金（超過(guò)三種元素但少于40種元素，因?yàn)樵撥浖芴幚淼脑睾孔疃嗉礊?0種）計(jì)算過(guò)程，限于演示軟件最多只能計(jì)算三元相圖，部分操作只能再次以圖片方式顯示。進(jìn)入數(shù)據(jù)模塊后是要進(jìn)行相圖計(jì)算體系的輸入，輸入的方式和剛才三元合金系的相似，用DEFINE-SYSTEM命令。VA表示的是間隙相，是系統(tǒng)默認(rèn)的，與采用的熱力學(xué)模型有關(guān)。TCFE3模塊中的命令行，與演示版本中的一樣。n=1表示的是當(dāng)各成分是以分?jǐn)?shù)型式輸入時(shí)，整個(gè)體系示為“單位1”；當(dāng)數(shù)據(jù)以各自的重量形式輸入（即存在超過(guò)1值時(shí)）n=1這個(gè)式子就不再有意義，系統(tǒng)自會(huì)處理。自由度，在相平衡時(shí)自由度為零。在進(jìn)行相平衡計(jì)算時(shí)，必須是在自由度為零的情況下，否則系統(tǒng)會(huì)提示出錯(cuò)。出現(xiàn)系統(tǒng)提示，有時(shí)需要根據(jù)提示進(jìn)行相應(yīng)的操作調(diào)整。在這個(gè)計(jì)算過(guò)程中，可以把它當(dāng)成是警告，而不必根據(jù)提示操作。在輸入MAP命令之前，需要進(jìn)行文檔保存，便于今后計(jì)