要相圖計算有何用？了解一下

bububu 5年前 (2018-03-27) 16091瀏覽

材料人推出材料計算專欄，介紹第一性原理、分子動力學、流體力學、相圖計算等計算、模擬、仿真干貨，歡迎關注！

說起相圖兩個字，我就想起數年以前在大學課堂上的一個情景。當時，站在講臺上的教授翻出教材，指著書中畫著的Fe-C相圖大聲說道：今天我們講一個很重要的相圖，作為一個金屬材料專業的學生，必須牢牢記住它，乃至于到了進墳墓的那一刻還能畫出來。。。

當然，今天并不是想講Fe-C 相圖是怎么畫的，而是想介紹相圖計算。

大家都知道，可以通過實驗的方式測試得到相圖。但是，實驗測定相圖需要耗費大量的人力與物力，在高溫、高壓、有腐蝕性氣體參與反應的條件下，還將面臨成分控制、容器選擇和高溫測量等方面的困難，而且實驗測定總是有限的、片面的，無法對體系的相圖和熱力學性質作一個完整、全面的了解。

那么，相圖計算就是一個方便的解決方案，他通過運用熱力學原理計算系統的相平衡關系并繪制出相圖。

引入相圖計算后，只需要對體系中相圖的部分關鍵區域和某些關鍵相的熱力學數據進行實驗測量就可以優化出Gibbs自由能模型參數，外推計算出整個相圖，建立起該體系完整的相圖熱力學數據庫。從而大大減少了相圖研究的工作量，有可能避開可能出現的實驗困難。?

簡單來說，相圖計算可以有6個重要的優勢或者說意義

?（1）可以用來判別實測相圖數據和熱化學數據本身及它們之間的一致性，從而對獲得的不同實驗結果進行合理的評估，為使用者提供準確可靠的相圖信息；

（2）可以外推和預測相圖的亞穩部分，從而得到亞穩相圖；

（3）可以外推和預測多元相圖，計算多元相平衡，為實際材料設計與加工工藝的制訂作參考；

（4）通過計算Gibbs自由能曲線，可以預測無擴散相變的成分范圍；

（5）可以提供相變動力學研究所需的相變驅動力、活度等重要信息；

（6）可以方便的獲得不同熱力學變量為坐標的各種相圖形式，以便用于不同條件下的材料制備與使用過程的研究與控制。

那么，為什么通過相圖計算可以得到相圖呢？

?相圖計算的實質是根據目標體系中各相的晶體結構、磁性有序和化學有序轉變等信息，建立起各相的熱力學模型，并由這些模型構筑各相的吉布斯自由能表達式，最后通過平衡條件計算相圖。其中，各相熱力學模型中的待定參數根據文獻報導的相平衡及熱力學性質數據并借助于相圖計算軟件優化獲得。在所獲得低組元體系(一般為二元和三元系)熱力學參數的基礎上通過外推或者添加少量的多元參數可獲得多元體系的相圖和熱力學信息。

通常情況下在材料的加工過程我們控制溫度、壓力與成分，因此在相圖計算過程中我們選Gibbs自由能作為模型函數。

對于物質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行，平衡狀態下體系總的吉布斯自由能最低，每一組元在各相中的化學位相等。如果知道在所有溫度下自由能—成分曲線，通過求自由能最小或解化學位相等方程我們就可以計算出相圖。

為了計算相圖我們需要知道自由能曲線的亞穩部分，純元素亞穩組態的自由能與亞穩相轉變點。

相圖優化和計算過程可以簡單地分成五步：

（1）實驗數據的收集與評估。評估的目的主要根據作者所采用的實驗方法判斷實驗數據的準確性，選擇符合熱力學原理，且相對更合理的實驗數據。

（2）自由能模型的選用。根據相的結構，選擇合理的模型，并可以通過外推計算多元系來驗證。

（3）利用實測的相圖與熱化學數據優化出Gibbs自由能表達式中的待定參數；再采用適當的算法和相應的計算機程序在計算機上按相平衡條件計算相圖。

（4）計算結果與實驗數據比較和分析。如果兩者相差較大，則調整待定參數或重新選擇熱力學模型，再進行一次優化計算，直至計算結果與大部分相圖數據與熱化學數據在實驗誤差范圍內吻合。

（5）優化后所有的相圖與熱力學數據通過熱力學模型聯結為一個自洽的整體，最后以模型參數方式貯存起來形成相圖熱力學數據庫。

現在，已經有成熟的相圖計算軟件可以開展相圖計算。

相圖計算軟件本質上是將熱力學模型和計算原理與大型數值計算和強大的計算機處理功能相結合，不僅可以實現多元多相平衡計算，給出各種形式的穩定和亞穩相圖，同時還可以得到其它與材料的制備和使用密切相關的參數。

常用的相圖熱力學計算軟件（Thermo-Calc、Fact Sage、Pandat、Jmatpro）的主要功能和特點如下。這里簡單列一下它們各自的特點

1、Thermo-Calc軟件

Thermo-Calc軟件現已成為數據齊全、功能強大、結構較為完整的計算系統，是目前世界上享有相當聲譽的熱力學計算軟件。

利用Thermo-Calc 軟件可以進行相平衡計算(如液相線及固相線溫度、各相的成分及比例等)、相圖計算及熱力學量的計算，還可以將熱力學數據制成表格、計算化學反應的熱力學函數變化及驅動力、評價化學系統的相平衡及相轉換，并且通過自動繪圖程序繪制各種相圖。

2、Fact Sage軟件

Fact Sage軟件是ChemSage/SOLGA-SMIX兩個熱化學軟件包的結合。具有數據庫內容豐富、計算功能強大以及Windows 平臺下的操作簡易等優勢。

Fact Sage軟件除多元多相平衡計算外，還可進行相圖、優勢區圖、電位-pH圖的計算與繪制，熱力學優化、作圖處理等。

Fact Sage軟件應用范圍包括材料科學、火法冶金、濕法冶金、電冶金、腐蝕、玻璃工業、燃燒、陶瓷、地質等。

Fact?Sage 5.5數據庫包括：
(1)包含了4517種化合物的純物質數據庫；
(2)包含20種元素的氧化物數據庫；
(3)包含20種陽離子及8種陰離子的熔鹽數據
(4)包含Pb，Sn，Fe，Cu，Zn等常見合金體系、熔锍體系與部分水溶液體系的綜合數據庫；
(5)用于如電解鋁、造紙工業、高純硅等具體工業過程的特定數據庫。
除此之外，Fact Sage 還可使用SGTE等國際上其他知名數據庫，并提供了用戶建立私有數據庫的功能。

3、Pandat軟件

Pandat 軟件包的最大優點是即使自由能函數在一定成分范圍內具有多個最低點的情況下，不具有相圖計算專業知識和計算技巧的使用者也能在不設定計算初值的情況下使用，Pandat 軟件還可自動搜索多元多相體系的穩定平衡。

Pandat 軟件的主要功能包括計算功能、編輯功能和高級功能。計算功能主要涵蓋：

（1）相圖計算：可計算二元系、三元系及多元系平衡相圖(等溫截面、等值截面、用戶自定義截面)；

（2）液相線計算：可自動計算出液相線(熔點)及一次析出相，并可畫出等溫線；

（3）凝固計算：輸出信息包括固相分數、密度、比熱、焓等隨溫度變化的曲線；

（4）相圖優化：用于評估一系列相圖和熱化學數據，并得到熱力學模型參數，可在Windows 界面下操作進行相圖優化。

Pandat 軟件的主要特點是：友好的操作界面，易學易用；計算結果穩定可靠；無需用戶輸入初始值與估算值，軟件自動尋找平衡點；支持用戶自定義數據庫，為各種相圖及熱力學計算提供了功能強大的計算平臺。

4、Jmatpro軟件

JMatPro 是以強大而穩定的熱力學模型、熱力學數據為核心技術和計算基礎的，所有物理模型的建立都經過了廣泛的驗證，以確保材料性能計算的準確性。JMatPro 的計算速度非常快，通常情況下都能在一分鐘之內完成。快速運算的最直接的優勢是，用戶可以快速實驗自己的材料配方，并在自己的電腦前完成想要的計算。

主要功能包括：
(1)穩態和亞穩態的相圖計算。用戶可以計算多元合金體系相圖等成分面，也可以計算隨溫度變化或隨成分變化的多元合金的相圖。
(2)物理性能計算-用于材料 CAE 模擬。可以計算出材料的性能與溫度之間的關系，還可以同時計算出合金中每個相的性能數據，以及計算出凝固過程中的相圖。
(3)機械性能。可以計算室溫和高溫條件下材料的力學性能。
(4)相變計算：馬氏體轉變，鋼焊接熱循環以及多道次熱軋計算，TTT/CCT 曲線等。