材料科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1、實(shí)驗(yàn)45鐵-碳相圖計(jì)算一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解CALPHAD方法；2了解熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)平衡；熟悉Thermo-Calc軟件；掌握穩(wěn)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)鐵-碳相圖計(jì)算。二、實(shí)驗(yàn)原理1）相圖計(jì)算原理在體系中熱力學(xué)平衡條件下相關(guān)系的幾何描述即為相圖。相圖計(jì)算就是運(yùn)用熱力學(xué)原理計(jì)算系統(tǒng)的相平衡關(guān)系并繪制出相圖的科學(xué)研究。相圖計(jì)算的關(guān)鍵就是選擇合適的熱力學(xué)模型模擬各相的熱力學(xué)性質(zhì)隨溫度、壓力、成分等的變化。相圖計(jì)算基于熱力學(xué)第二定律，即對(duì)于物質(zhì)一定但與外界有能量交換的體系（封閉體系），恒溫恒壓過程總是朝吉布斯（Gibbs）自由能降低的方向進(jìn)行，當(dāng)體系處于平衡狀態(tài)時(shí)，體系的能量最低，每一組元在各相中的化學(xué)位相等，即

2、Gibbs自由能曲線有公切線，因此原則上只要知道每一相在整個(gè)成分、溫度與壓力范圍內(nèi)的自由能，就可以判斷在某一成分與壓力下，一定成分的材料到底由哪些相組成，各相的成分與相對(duì)含量，從而計(jì)算出相圖。因此相圖計(jì)算過程是由實(shí)測與物理計(jì)算的相圖與熱力學(xué)數(shù)據(jù)確定自由能表達(dá)式又由反過來自由能表達(dá)式計(jì)算相圖與熱力學(xué)數(shù)據(jù)的可逆過程（圖5.1）23旅當(dāng)尿相中的話也和I斤皿歸赫肥圖5.1相圖計(jì)算的過程2）CALPHAD方法的基本步驟CALPHAD方法進(jìn)行相圖計(jì)算主要分為四個(gè)步驟。根據(jù)體系中各相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的熱力學(xué)模型描述其Gibbs自由能，這些與溫度、壓力和濃度有關(guān)的自由能表達(dá)式中含有一定數(shù)量的待定參數(shù)；利用

3、實(shí)測的相圖與熱化學(xué)數(shù)據(jù)優(yōu)化出Gibbs自由能表達(dá)式中的待定參數(shù)；米用適當(dāng)?shù)乃惴ê拖鄳?yīng)的計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)上按相平衡條件計(jì)算相圖；將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較和分析，如果兩者相差較大，則調(diào)整待定參數(shù)或重新選擇熱力學(xué)模型，再進(jìn)行一次優(yōu)化計(jì)算，直至計(jì)算結(jié)果與大部分相圖數(shù)據(jù)與熱化學(xué)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)吻合。相圖優(yōu)化與計(jì)算的過程見圖5.2：歩收集與評(píng)估相圖與熱力學(xué)實(shí)測數(shù)據(jù)圖5.2相圖計(jì)算流程圖3）相圖計(jì)算方法的優(yōu)勢相圖實(shí)驗(yàn)測定中，漫長的時(shí)間以及對(duì)資源的大量占用都制約著體系相圖的獲得，尤其在高溫、高壓以及腐蝕性和放射性等極端環(huán)境中實(shí)驗(yàn)更是難以進(jìn)行。另外在實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)有限，難以全面地描述體系的相變，因此相圖

4、計(jì)算就有了其用武之地。相圖計(jì)算的主要優(yōu)勢：判別實(shí)測中熱力學(xué)數(shù)據(jù)的正確性以及一致性，評(píng)估實(shí)測數(shù)據(jù)；外推亞穩(wěn)相圖；從低元系外推高組元系相圖；外推熱物理及熱化學(xué)參數(shù)；通過變換相圖的坐標(biāo)，方便材料在不同條件下研究。4）Thermo-Calc軟件Thermo-Calc軟件由瑞典皇家科學(xué)院開發(fā)，所涉及的領(lǐng)域比較廣泛，包括冶金、金屬合金、陶瓷、熔巖、硬質(zhì)合金、粉末冶金、無幾物等等，產(chǎn)品主要包括TCC、TCW、DICTRA、二次開發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫。其軟件功能：包括熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，熱力學(xué)包括：相圖、熱力學(xué)性能、凝固模擬、液相面、熱液作用、變質(zhì)、巖石形成、沉淀、風(fēng)化過程的演變、腐蝕、循環(huán)、重熔、燒結(jié)、煅燒、燃燒

5、中的物質(zhì)形成、CVD圖、薄膜的形成、CVM計(jì)算，化學(xué)有序-無序等等。動(dòng)力學(xué)（DICTRA）包括：擴(kuò)散模擬，如合金均勻化、滲碳、脫碳、滲氮、奧氏體/鐵素體相變、珠光體長大、微觀偏析、硬質(zhì)合金的燒結(jié)等等。Thermo-Calc的數(shù)據(jù)庫比較多，包括Fe基合金、Ni基合金等等的自己開發(fā)的數(shù)據(jù)庫，也有很多第三方數(shù)據(jù)庫，如有色金屬（Al、Mg、Ti等）是英國ThermoTech的。其可用的數(shù)據(jù)庫包括眾多無機(jī)物數(shù)據(jù)庫、陶瓷數(shù)據(jù)庫、硬質(zhì)合金數(shù)據(jù)庫、核材料數(shù)據(jù)庫等等oThermo-Calc軟件功能強(qiáng)大、用戶群較大方便交流、軟件擴(kuò)展性能好、靈活性強(qiáng)、適用范圍廣。其缺點(diǎn)則是操作界面不是很友好，很難上手，動(dòng)力學(xué)（擴(kuò)散

6、）數(shù)據(jù)目前不是很全，計(jì)算引擎技術(shù)滯后（主要表現(xiàn)在初始值方面）。Thermo-Calc有DOS版（TCC）和windows版（TCW），該軟件有很多模塊600多子程序，可以完成多種平衡相圖計(jì)算以及多種多組元系統(tǒng)的優(yōu)化。其姊妹程序DICTRA則能夠進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。Thermo-Calc軟件包的結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。LiteratureTDdataTCDatabasePARROTOptunizationEDEXPExperimentssoo-LBPOSTGraphicsAsgesMentExpeiimentalTDdata400-二一1f11一012a-CL&1.0Mole-firactioiiCuD

7、ailyUsePhaseDiagrams&PropertyDiagrams圖5-3Thermo-Calc軟件包結(jié)構(gòu)由于TCC與TCW所具有的功能基本一致，且TCC更加成熟，這里以TCC為例介紹Thermo-Calc,TCC有七個(gè)基本模塊，他們是：TDB,資料庫管理模塊；GES，多相熱力學(xué)模型處理和數(shù)據(jù)控制；TAB，物相和反應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)表；POLY，多組元平衡計(jì)算和繪圖；POST，相圖與性能圖后處理；PARROT，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估和參數(shù)優(yōu)化；ED_EXP，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)編輯和平衡計(jì)算。在熱力學(xué)計(jì)算中各模塊互相連接，相輔相成。在不同的獨(dú)立模塊中有不同的工作空間。POST模塊被看作POLY模塊的子模塊，ED-

8、EXP模塊則被認(rèn)作PARROT的子模塊。這兩個(gè)“子模塊”始于POST和PARROT，在POLY和POST間以及ED-EXP和PARROT間有共同的空間，TAB和POST模塊間也有連接。TCC能夠完成許多功能，包括穩(wěn)定與亞穩(wěn)相平衡的計(jì)算；熔解及凝固溫度，Scheil凝固;相中組分及組分的量；焓、熱容和活度等熱化學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算；體積、體積彈性模量等熱物理性能;預(yù)測相變驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)變溫度等。圖5-4、5-5、5-6分別列舉了TCC能夠完成的幾種功能。200014501800Fe-Crdiaj1.0MOLEFRACTIONCRoooooooo6040200080604020sn-s_lUJo山Hn-LVHU

9、Jd乏山1A卜Fe-MTernary：Isothermat10Qb020.608圖5-4Fe-Cr二元相圖A2FeAgA4-MnLiqA8Mn5hcp100014001350130012501200115011001050-0.81.0Fractionofsolid0alrnaladEal圖5-5Al-Fe-Mn等溫相圖圖5-6不同方式計(jì)算的固態(tài)相成分Thermo-Calc有一個(gè)十分重要的功能，就是評(píng)估描述現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的熱力學(xué)模型參數(shù)，這已經(jīng)在工業(yè)應(yīng)用中用于優(yōu)化材料性能、結(jié)構(gòu)以及加工。軟件中用于這一功能的模塊是PARROT。PARROT是一個(gè)用以利用實(shí)驗(yàn)以及文獻(xiàn)數(shù)據(jù)構(gòu)成、評(píng)價(jià)及優(yōu)化不同的熱化學(xué)以及

10、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的一組子程序，它能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組合并構(gòu)成模型參數(shù)，判斷它們的可靠性，并能夠?yàn)檫M(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)提供方案，為相變模型和仿真提供基礎(chǔ)。該方式使我們脫離了試錯(cuò)法，該方法不但能夠提供穩(wěn)定相的數(shù)據(jù)，還能夠提供亞穩(wěn)相的化學(xué)勢以及驅(qū)動(dòng)力數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)優(yōu)化的方式見圖57。Thermo-CalcSoftwarePARROTmodule:assessmentFundamentalEmpiricalRulesExperimentalDataModelsLI0_-sllE-saaQ-BcaEsdx山G攸只球）PARROTDatabaseThermodynamicPropertiesEquilibriumStatesP

11、haseDiagrams圖5-7PARROT參數(shù)優(yōu)化三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料TCC軟件、計(jì)算機(jī)Thermo-CalcClassicThermo-CalcClassic(TCC)是Thermo-Calc軟件的經(jīng)典版本，具備通用、計(jì)算靈活的特點(diǎn)。20年來,TCC被全球用戶認(rèn)定為最好的多元體系熱力學(xué)與相圖計(jì)算軟件。如今，全球已經(jīng)有超過1000多個(gè)研究機(jī)構(gòu)，政府實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)用戶選擇了TCC。優(yōu)勢TCC在材料學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛TCC可以更好地反映影響材料特性的因素。TCC可以快速識(shí)別、控制各種參數(shù)或合金成分，從而降低成本。TCC是一種多功能軟件。通過新數(shù)據(jù)庫的不斷開發(fā)、新的領(lǐng)域和應(yīng)用的拓展，使得軟件更加適用

12、于研究和學(xué)習(xí)。處于同一部門的科研人員可以實(shí)現(xiàn)軟件的不同用途的應(yīng)用。TCC使用圖形用戶界面，特別適用于想要快速得到結(jié)果的非專業(yè)用戶！TCC提供強(qiáng)大的用戶支持，在全球各地區(qū)設(shè)有辦事機(jī)構(gòu)。提供跨越全球的培訓(xùn)。強(qiáng)大，靈活的用戶界面Thermo-CalcClassic開發(fā)了許多專業(yè)模塊來完成專用功能，如數(shù)據(jù)讀取模塊、計(jì)算、后處理模塊等。用戶界面包括可鍵入命令的命令行界面。所有命令都可采用縮寫形式鍵入。系統(tǒng)同時(shí)包含了一些專業(yè)模塊，用于一些特殊的計(jì)算：如Scheil-Gulliver凝固模擬模塊、水溶液Pourbaixdiagrams計(jì)算模塊等。使用宏文件可以保存復(fù)雜的命令行，并可以無限制的修改重復(fù)使用。數(shù)

13、據(jù)庫TCW計(jì)算基于熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)創(chuàng)建。目前，可為多種不同類型的材料提供精確的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，這些材料包括(但不限于)：鋼鐵鈦合金熔渣鎳合金礦物質(zhì)鹽鋁合金核材料水溶液想了解關(guān)于各種數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問我們的網(wǎng)站 HYPERLINK 琴用務(wù)壊奪高鑽應(yīng)用13Itaq-r-Ffic電tigFoe.M&C5-LiQ*Fflc，MlC*Sl0f=OCM；GSWCht-GuiVOrAaSiW?w3DPr*nHlE4UltHliJmAExpeimaniFractionn!&o1kfPourbaix模塊使用TCC，還可以進(jìn)行包括液劑，如甫爾拜圖的計(jì)算。該計(jì)算適用于腐蝕，濕法冶金，土壤化學(xué)和環(huán)境問題。多元合金和液劑之間的相互作用，也可以通過這樣的方式，進(jìn)行計(jì)算。高級(jí)Scheil模塊在最新的TCC和TCW版本中，改進(jìn)的Scheil模塊，還可以在允許縫隙反擴(kuò)散的局部均衡條件下，模擬合金的固化過程。功能強(qiáng)大，應(yīng)用靈活Thermo-Calc是一個(gè)功能強(qiáng)大，應(yīng)用靈活的工具?？梢岳L制多種類型的性能圖和相圖，包括高級(jí)應(yīng)用程序，如：多元體系的液相面圖。應(yīng)用實(shí)例相圖（二元、三元、等值截面、等溫截面等）（可設(shè)置5個(gè)以上獨(dú)立變量）單質(zhì)、化合物、固溶相的熱力學(xué)性能性能曲線（相分?jǐn)?shù)、吉布斯自由能、熱焓、C