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CALPHAD简介 CALPHAD CalculationofPhaseDiagram 在热力学理论和热力学数据库支持下的相图计算其核心原理是 根据已知热力学相平衡数据 确定低组元 二元 系中各相的热力学描述 然后通过递推 优化 逐步获得高组元合金相的吉布斯能 而计算出可靠的高组元相图 一 CALPHAD的发展 1899年 H Roozeboom把相律应用到多组元系统1878年 J W Gibbs提出相律 1923年 G N Lewis和M Randall发表 化学物质的热力学与自由能 1900年 G Tamman测定了大量金属系相图 1940年 S R Brinkley H J Kandiner W B White等提出了平衡组成的最小自由能算法 1970年 L Kaufman M Hillert等倡导相图热力学计算 形成了相平衡研究的CALPHAD模式 1960年 NASA开发了第一个使用的 带物质热力学性质数据库的计算机程序 1996 1999年 Pandat JMatPro发布 1994年 DICTRA发布 实现扩散动力学相变计算 1987年 ChemSage发布 后扩展成为FactSage 1981年 Thermo Cale发布 获得广泛应用 以CALPHAD为代表的材料相图计算方法及相关热力学 动力学软件工具在钢铁冶金 有色合金 熔盐 陶瓷 高分子 化工等广泛领域取得成功 正在对材料研究方法和结果带来巨大变革 二 CALPHAD方法 收集 评估 筛选相图与热力学实验数据 选择各相的吉布斯自由能模型 给模型参数赋初始值 重新评估实验数据 重新选择模型 调整模型参数的值 将现有参数计算的相图与热力学数据与实验数据进行比较 建立数据库 工业应用 二 CALPHAD方法 二元系 三元系 四元系 估定 典型系统包括Thermo Calc FactSage Pandat JMatPro等Thermo Calc是这一领域经典代表 二 CALPHAD计算工具 强大的优化算法最为全面的数据库支持 铁基 镍基 钛基 铝合金 镁合金 氧化物 无机盐 陶瓷 焊接材料 腐蚀 镀层等各类数据库开放的数据库结构唯一支持扩散动力学计算 DICTRA 冶金 材料热力学计算领域上广泛的采用 三 CALPHAD的应用 CALPHAD热力学与动力学相结合 使得严格意义上材料设计成为可能 CALPHAD方法与量子化学第一原理结合 利用后者的理论基础 使热力学数据的获取更加准确 严谨和方便 CALPHAD方法与相场方法相结合 定量模拟合金微观结构演变 三 CALPHAD的应用 图2 Al Mn Ni体系600oC等温截面 图1 Al Fe Ni体系950oC等温截面 所提出的四亚点阵模型成功描述了具有多种有序 无序相变的Al Fe Ni和Al Mn Ni等体系相图 该模型已首次成功应用于多元铝合金相平衡的计算 相场模拟 热力学因 相变驱动力 相平衡 扩散系数矩阵 热力学数据库 扩散动力
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