THERMOCALCDICTRA熱力學(xué)計算實用教案

1、 THERMO-CALC&DICTRA是由瑞典皇家工學(xué)院為進(jìn)行熱力學(xué)與動力學(xué)計算而專門開發(fā)的熱力學(xué)相計算軟件。經(jīng)過幾十年的完善發(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)威的計算軟件； THERMO-CALC&DICTRA是進(jìn)行熱力學(xué)模擬計算的，包括相圖計算（二元、三元相圖，等溫相圖，等壓相圖等，最多可達(dá)到五個自由變量）；純物質(zhì)、化合物、液相和化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)計算；Gibbs自由能計算；平衡、絕熱溫度的計算；平衡相圖、非平衡相圖、超平衡相圖的計算；燃燒、重熔、燒結(jié)、燃燒、腐蝕生成物的計算；穩(wěn)態(tài)反應(yīng)熱力學(xué)；集團(tuán)變分法模擬計算；氣象沉積計算

2、；薄膜、表面(biomin)氧化層形成計算；Scheil-Gulliver 凝固過程模擬計算；卡諾循環(huán)的模擬；數(shù)據(jù)庫的建立和完善等； 該軟件可以處理多組元系統(tǒng)，我們可以通過熱力學(xué)計算，查看多元合金體系中某一合金元素含量的變化對相圖中不同相穩(wěn)定性的影響等，如圖1所示。第1頁/共25頁第一頁，共26頁。 下面是已知論文中用熱了學(xué)計算得到的相圖與經(jīng)過試驗計算得到的相圖比較：從圖中可以看出，各個相取得組織組成略有差別，但是差別不是很大。圖中標(biāo)出的相有的是在計算時可以去除(q ch)的。像其中的 Cr3O4相就可以省去，因為計算中它的含量很少 。如圖2所示。 該軟件的相圖計算方法構(gòu)型圖3表示。 第2頁/

3、共25頁第二頁，共26頁。 圖1 Fe-4Cr-5Mo-8W-0.3Mn-0.3Si-C(wt.%) 相組成(z chn)圖曲線表示相的出現(xiàn)(chxin)或消失，即相線；數(shù)字表示出現(xiàn)(chxin)的相成分。第3頁/共25頁第三頁，共26頁。 圖2 文獻(xiàn)圖與實驗圖比較(bjio) （左：文獻(xiàn)圖； 右：軟件計算圖）第4頁/共25頁第四頁，共26頁。熱力學(xué)模型(mxng)電子(dinz)理論優(yōu)化實驗(shyn)相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)（活度、形成焓等）數(shù)據(jù)庫（存儲熱力學(xué)參數(shù)）計算相圖 圖3 相圖計算方法圖解第5頁/共25頁第五頁，共26頁。THERMO-CALC系統(tǒng) THERMO-CALC系統(tǒng)本身有600多個

4、子程序，可以分成若干個功能模塊。模塊之間通過規(guī)定的界面借口進(jìn)行動作。它以數(shù)據(jù)庫和模型作為信息來源和計算基礎(chǔ)，通過幾個有各自不同功能的模塊進(jìn)行相應(yīng)的計算或操作。1.數(shù)據(jù)庫 THERMO-CALC現(xiàn)有幾套不同的數(shù)據(jù)庫，如鐵基數(shù)據(jù)庫、鋼數(shù)據(jù)庫、爐渣(lzh)數(shù)據(jù)庫及考夫曼數(shù)據(jù)庫等。其中的數(shù)據(jù)都是從試驗測得結(jié)果經(jīng)評估獲得。實驗室現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫包括：（1）鐵基數(shù)據(jù)庫：TCFE3;（2）鎂基數(shù)據(jù)庫：TTMG;（3）附加的數(shù)據(jù)庫：PAQ2、PCHAT、PG35、PGEO、PKP、 PBIN、PION、PSUB、PTERN、PURE4、PFRIB、USER、COST2。第6頁/共25頁第六頁，共26頁。 相圖的

5、計算離不開熱力學(xué)數(shù)據(jù)，而精確的數(shù)據(jù)往往是通過試驗得到的。只有對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的歸納、整理和分析，使之成為相圖計算中有用的資料，才能求得與實際情況相符的相圖。進(jìn)行相圖的計算所用到的數(shù)據(jù)是一個龐大的數(shù)據(jù)集合，而THERMO-CALC中的數(shù)據(jù)是經(jīng)過科學(xué)的方法整理，存儲與數(shù)據(jù)庫中，用到時調(diào)來使用即可。但是用戶得注意數(shù)據(jù)的使用條件，不同數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)一般(ybn)是不好竄用的。這需要根據(jù)數(shù)據(jù)庫的說明來具體采取措施。 數(shù)據(jù)庫中包括每個系統(tǒng)所專用的模型信息和各種參數(shù)的定義及參數(shù)值，如：純組元在參考態(tài)下的吉布斯自由能、組元在不同相中的吉布斯自由能和各種金屬間化合物的吉布斯自由能，以及液固相的相平衡、平衡成分

6、、組成相的體積分?jǐn)?shù)，還有活度、形成焓、表面張力、粘度等熱化學(xué)特征。 當(dāng)合金中所有相的熱力學(xué)模型確定后，且模型參數(shù)也可由數(shù)據(jù)庫提供（提供不了的要通過試驗獲得，并經(jīng)優(yōu)化處理），利用相應(yīng)的軟件便可進(jìn)行相圖計算了。第7頁/共25頁第七頁，共26頁。TCFE3數(shù)據(jù)庫（鐵庫）TCFE3中包含(bohn)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、

7、P、S、OTrace第8頁/共25頁第八頁，共26頁。數(shù)據(jù)庫中的各個(gg)相描述：PhaseDatabase PhaseDatabasePhaseDatabaseAustenite FCC#1FerriteBCC-MnCBCC-A12M(C,N)xFCC#2M2(C,N)HCP#2-MnCUB-A13第9頁/共25頁第九頁，共26頁。2.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(xin yo)計算的相平衡或相圖的條件，如：

8、組分、溫度及活度等，并列出計算所得的每一項的成分。該模塊可用來計算單個相平衡，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。3）熱力學(xué)模型模塊：為每一個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的吉布斯自由能與參數(shù)的相關(guān)程度。同時模塊也會列出所有從數(shù)據(jù)庫中讀取的熱化學(xué)信息（也可交互式輸入）及參數(shù)的表達(dá)式。第10頁/共25頁第十頁，共26頁。4）Scheil模塊（ SCHELL_SIMULATION ）：用于模擬非平衡凝固行為，利用THERMO-CALC模塊可以做相平衡計算

9、（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(xué)量的計算，還可以將熱力學(xué)數(shù)據(jù)制成表格、計算化學(xué)反應(yīng)的熱化學(xué)變化及驅(qū)動力、評價化學(xué)系統(tǒng)的相平衡及相轉(zhuǎn)換，并且通過自動繪圖程序繪制各種多元相圖。目前，許多外國非專業(yè)熱力學(xué)計算的材料工作者都利用它來進(jìn)行熱力學(xué)計算。5）SYSTEM_UTILITIES 模塊：用于進(jìn)行模塊間連接設(shè)置，建立和執(zhí)行宏文件，搜索指令信息，進(jìn)行綜合設(shè)置。這對相圖計算，并獲得計算結(jié)果以及便利的執(zhí)行多種計算任務(wù)是十分必要的。還可以進(jìn)行用戶界面、命令單元設(shè)置，錯誤狀態(tài)報告，文件列表等操作(cozu)。6）TABULATION_REACTION 模塊：用于將任一種物質(zhì)，化學(xué)

10、計量比化合物或是液相，反應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)計算得到的數(shù)據(jù)制成表格。目前，該模塊在均一的穩(wěn)定態(tài)或是反應(yīng)的第11頁/共25頁第十一頁，共26頁。穩(wěn)態(tài)物質(zhì)計算中用得較多，且計算結(jié)果會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)計算的子程序塊。任意應(yīng)用程序進(jìn)行熱力學(xué)計算時均可調(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)行計算。PO

11、LY和DICTRA模塊在進(jìn)行計算時會自動調(diào)用GES模塊中相應(yīng)的子程序進(jìn)行相應(yīng)的熱力學(xué)計算?？赏ㄟ^用戶界面輸入一系列常用命令，輸入和修改(xigi)相狀態(tài)以及熱力學(xué)參數(shù)值等。8）BINARY_DIAGRAM_EASY 模塊：用于二元相圖的計算，并得到相應(yīng)的二元相圖。第12頁/共25頁第十二頁，共26頁。9）FUNC_OPT_PLOT 模塊：用于函數(shù)輸入，進(jìn)行計算畫出相圖 。10）REACTOR_SIMULATOR_3 模塊：用于模擬材料的各個反應(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模塊取得各個相的熱力學(xué)數(shù)據(jù)的模型和進(jìn)

12、行需要的計算，并在POLY-3模塊中執(zhí)行多階段穩(wěn)態(tài)反應(yīng)的局部平衡計算，列出各個反應(yīng)階段的模擬計算的結(jié)果。11）PARROT 模塊：包含許多子程序快，用于計算由試驗獲得的一系列描述平衡態(tài)或各種不同反應(yīng)體系動態(tài)過程的熱力學(xué)和動力學(xué)模型參數(shù)，并對得到的數(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(kusn)方程式的求解；熱力學(xué)方程的計算；熔體平衡方程式的求解；相界面的移動和晶格點陣變化的模擬計算。第13頁/共25頁第十三頁，共26頁。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

13、金屬的氧化物、硫化物、碳化物、硅化物、氮化物等形成(xngchng)與混合氣相的關(guān)系。用各種命令行就可以計算和畫出各種各樣的金屬氣相作用體系的位圖。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的計算。15）TERNARY_DIAGRAM 模塊：用于計算三元相圖，得到三角形的三元相圖。第14頁/共25頁第十四頁，共26頁。操作步驟 ： 1.雙擊桌面上 圖標(biāo) ，進(jìn)入(jnr)下圖所示操作界面 ；2.在光標(biāo)處輸入相應(yīng)的命令 ，如 SET-LOG-FILE，用以生

14、成指令文件 ，可以根據(jù)(gnj)該指令文件查出相圖計算的具體操作過程（各次輸入的命令操作），如下圖所示；第15頁/共25頁第十五頁，共26頁。3.進(jìn)入模塊：在各模塊中用命令執(zhí)行相圖計算所需要的操作，如： 輸入(shr)需要計算的體系 ，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)行平衡相圖的計算，并得到想要的相圖 。第16頁/共25頁第十六頁，共26頁。 下面簡單介紹一下該軟件相圖計算(j sun)的操作過程，以Fe-C-Cr 三元系為例。 在多元合金的計算(j sun)中，操作過程與上述介紹的類似 ，只是用到的數(shù)據(jù)更多，計算(j sun)量更大， 數(shù)據(jù)處理的

15、過程中用到的熱力學(xué)模型更多。下面是多元合金（超過三種元素但少于40種元素，因為該軟件所能處理的元素含量最多即為40種）計算(j sun)過程，限于演示軟件最多只能計算(j sun)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)行相圖計算(j sun)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 。第17頁/共25頁第十七頁，共26頁。VA表示(biosh)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(ynsh)版本中的一樣。第18頁/共25頁第十八頁，共26頁。DEFINE-SYSTEMLIST-SYS

16、TEM第19頁/共25頁第十九頁，共26頁。 n=1表示的是當(dāng)各成分(chng fn)是以 分?jǐn)?shù)型式輸入時，整個體系示為“單位 1”；當(dāng)數(shù)據(jù)以各自的重量形式輸入（即存在超過 1值時）n=1這個式子就不再有意義，系統(tǒng)自會處理 。自由度，在相平衡時自由度為零。在進(jìn)行相平衡計算時，必須(bx)是在自由度為零的情況下，否則系統(tǒng)會提示出錯。第20頁/共25頁第二十頁，共26頁。出現(xiàn)系統(tǒng)提示，有時需要根據(jù)提示進(jìn)行相應(yīng)的操作調(diào)整(tiozhng)。在這個計算過程中，可以把它當(dāng)成是警告，而不必根據(jù)提示操作 。第21頁/共25頁第二十一頁，共26頁。在輸入 MAP命令之前，需要進(jìn)行(jnxng)文檔保存，便于今后計算時直接調(diào)用或是便于在其它模塊中讀取文件，減少重復(fù)的操作。第22頁/共25頁第二十二頁，共26頁。菜單欄工具欄第23頁/共25頁第二十三頁，共26頁。A :字體，可以進(jìn)行字體設(shè)置，如：字號、字體顏色、字體、下劃線、陰影等設(shè)置； ：箭頭設(shè)置，可以在得到的相圖中進(jìn)行箭頭指示，標(biāo)出特定區(qū)域或作出標(biāo)記，如：箭頭大小、顏色、箭頭粗細(xì)、箭頭位置等的設(shè)置；：顯示標(biāo)題(biot)；：THERMO-CALC軟件計算出的相圖的標(biāo)記；F：W:C:DB: 顯示數(shù)據(jù)庫；第24頁/共25頁第二十四頁，共26頁。謝謝您的觀看(gu