Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Калфада )
Перейти к навигации Перейти к поиску

CALPHAD расшифровывается как CALculation of PHAse Diagrams , методология, введенная в 1970 году Ларри Кауфманом. [1] [2] [3] Диаграмма состояния равновесия обычно представляет собой диаграмму с осями для температуры и состава.химической системы. Он показывает области, в которых вещества или растворы (то есть фазы) стабильны, и области, где два или более из них сосуществуют. Фазовые диаграммы являются очень мощным инструментом для прогнозирования состояния системы в различных условиях и изначально были графическим методом рационализации экспериментальной информации о состояниях равновесия. В сложных системах вычислительные методы, такие как CALPHAD, используются для моделирования термодинамических свойств каждой фазы и моделирования поведения многокомпонентных фаз. [4] [5] [6] Подход CALPHAD основан на том факте, что фазовая диаграмма является проявлением равновесных термодинамических свойств системы, которые являются суммой свойств отдельных фаз. [7] Таким образом, можно рассчитать фазовую диаграмму, сначала оценив термодинамические свойства всех фаз в системе.

Методология [ править ]

С помощью метода CALPHAD собирают всю экспериментальную информацию о фазовых равновесиях в системе и всю термодинамическую информацию, полученную в результате термохимических и теплофизических исследований. [2] Затем термодинамические свойства каждой фазы описываются с помощью математической модели, содержащей регулируемые параметры. Параметры оцениваются путем оптимизации соответствия модели всей информации, включая сосуществующие фазы. Затем можно пересчитать фазовую диаграмму, а также термодинамические свойства всех фаз. Философия метода CALPHAD состоит в том, чтобы получить последовательное описание фазовой диаграммы и термодинамических свойств, чтобы надежно предсказать набор стабильных фаз и их термодинамические свойства в областях без экспериментальной информации и дляметастабильные состояния при моделировании фазовых превращений .

Термодинамическое моделирование фазы [ править ]

Есть два решающих фактора успеха метода CALPHAD. Первый фактор - найти реалистичные и удобные математические модели энергии Гиббса.для каждой фазы. Энергия Гиббса используется потому, что большинство экспериментальных данных были определены при известных температуре и давлении, и любые другие термодинамические величины могут быть рассчитаны на их основе. Невозможно получить точное описание поведения энергии Гиббса многокомпонентной системы с помощью аналитических выражений. Таким образом, необходимо определить основные характеристики и основать на них математические модели. Несоответствие между моделью и реальностью, наконец, представлено расширением степенного ряда по температуре, давлению и составу фазы. Настраиваемые параметры этих описаний моделей уточняются для воспроизведения экспериментальных данных. Сильной стороной метода CALPHAD является то, что описания составляющих подсистем могут быть объединены для описания многокомпонентной системы.

Расчет равновесия [ править ]

Вторым решающим фактором является наличие компьютерного программного обеспечения для расчета равновесий и различного рода диаграмм и баз данных с сохраненной оценочной информацией. Поскольку в настоящее время существует множество различных типов моделей, используемых для различных типов фаз, существует несколько доступных термодинамических баз данных, как бесплатных, так и коммерческих, для различных материалов, таких как стали, суперсплавы, полупроводниковые материалы, водные растворы , шлаки.и т. д. Существует также несколько различных типов программного обеспечения, использующих различные типы алгоритмов для вычисления равновесия. Преимуществом является то, что программное обеспечение позволяет рассчитывать равновесие с использованием множества различных типов условий для системы, а не только температуры, давления и общего состава, поскольку во многих случаях равновесие может быть определено при постоянном объеме или при заданном химическом потенциале. элемента или данного состава определенной фазы.

Приложения [ править ]

У CALPHAD был медленный старт в 60-х годах, но сложные системы термодинамических банков данных начали появляться в 80-х, и сегодня на рынке есть несколько коммерческих продуктов, например FactSage, MTDATA, PANDAT, MatCalc, JMatPro и Thermo-Calc, а также открытые исходные коды, такие как OpenCalphad, PyCalphad и ESPEI (см. «Внешние ссылки» ниже). Они используются в исследованиях и промышленных разработках (например, программное обеспечение QuesTek Innovations 'PrecipiCalc и материалы по дизайнуTechnology), где они экономят большое количество времени и ресурсов, сокращая экспериментальную работу и делая термодинамические прогнозы доступными для многокомпонентных систем, которые были бы практически недостижимы без этого подхода. Существует журнал с таким названием, в котором публикуются последние научные достижения, но научные статьи, описывающие использование методов CALPHAD, публикуются также во многих других журналах.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кауфман L .; Бернштейн Х. (1970). Компьютерный расчет фазовых диаграмм . Academic Press NY. ISBN 0-12-402050-X.
  2. ^ a b Фабричная Ольга Б .; Saxena Surendra K .; Рише Паскаль; Вестрам Эдгар Ф. младший (2004). Термодинамические данные, модели и фазовые диаграммы в многокомпонентных оксидных системах: оценка для ученых-материаловедов и планетологов на основе данных калориметрии, объема и фазового равновесия . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 9783662105047. OCLC  851391370 .
  3. ^ Каттнер Урсула Р. (2016). «Метод CALPHAD и его роль в разработке материалов и процессов» . Tecnol. Металл. Mater. Шахтер . 13 (1): 3–15. DOI : 10.4322 / 2176-1523.1059 .
  4. ^ Лукас HL; Фри Сюзана Г .; Сундман Бо (2007). Вычислительная термодинамика: метод CALPHAD . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521868112. OCLC  663969016 .
  5. ^ Сондерс N .; Миодовник П. (1998). Кан RW (ред.). Calphad . Серия «Пергамские материалы», том 1. ISBN 0-08-042129-6.
  6. ^ Y.Austin Чанг (2004). «Расчет фазовой диаграммы: прошлое, настоящее и будущее». Прогресс в материаловедении . 49 (3): 313–345. DOI : 10.1016 / S0079-6425 (03) 00025-2 .
  7. ↑ Зи-Куй Лю; Ван И (2016). Вычислительная термодинамика материалов . Кембридж. ISBN 9780521198967. OCLC  960196125 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Официальный сайт CALPHAD
  • База данных вычислительных фазовых диаграмм (CPDDB), бинарные базы данных, бесплатный доступ с регистрацией
  • Открыть Calphad
  • База данных термодинамических данных База данных
  • Программное обеспечение Thermo-Calc и большое количество баз данных
  • Pandat (многокомпонентный и широкий спектр приложений)
  • Matcalc (бесплатно до трех компонентов, доступны открытые базы данных)
  • Термодинамическое моделирование многокомпонентных фазовых равновесий.
  • NIST
  • FactSage Education 7.2
  • PyCalphad: вычислительная термодинамика на основе CALPHAD в Python
  • ESPEI: расширяемая самооптимизирующаяся инфраструктура фазового равновесия
  • Материалы Genome Foundation