КАЛЬФАД
CALPHAD означает «расчет фазовых диаграмм» — методология, представленная в 1970 году Ларри Кауфманом. [1] [2] [3] равновесия Фазовая диаграмма обычно представляет собой диаграмму с осями температуры и состава химической системы. Он показывает области, где вещества или растворы (т.е. 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 представляли собой графический метод рационализации экспериментальной информации о состояниях равновесия. В сложных системах вычислительные методы, такие как CALPHAD, используются для моделирования термодинамических свойств каждой фазы и моделирования поведения многокомпонентной фазы. [4] [5] [6] Подход CALPHAD основан на том, что фазовая диаграмма является проявлением равновесных термодинамических свойств системы, которые представляют собой сумму свойств отдельных фаз. [7] Таким образом, можно рассчитать фазовую диаграмму, сначала оценив термодинамические свойства всех фаз в системе.
Методология
[ редактировать ]С помощью метода CALPHAD собираются вся экспериментальная информация о фазовых равновесиях в системе, а также вся термодинамическая информация, полученная 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 также сосуществующие фазы. Тогда можно пересчитать фазовую диаграмму, а также термодинамические свойства всех фаз. Философия метода CALPHAD заключается 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 для метастабильных состояний во время моделирования фазовых превращений .
Термодинамическое моделирование фазы
[ редактировать ]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 на ее основе можно рассчитать любые другие термодинамические величины. Точное описание поведения энергии Гиббса многокомпонентной системы с помощью аналитических выражений получить невозможно. Таким образом, необходимо выявить основные особенности и построить на их основе математические модели. Расхождение между моделью и реальностью в конечном итоге выражается разложением в степенной ряд по температуре, давлению и составу фазы. Регулируемые параметры описаний этих моделей уточняются для воспроизведения экспериментальных данных. Сильная сторона метода CALPHAD заключается в том, что описания составляющих подсистем можно комбинировать для описания многокомпонентной системы.
Расчеты равновесия
[ редактировать ]Вторым решающим фактором является наличие компьютерного программного обеспечения для расчета равновесий и различного рода диаграмм и баз данных с хранимой оценочной информацией. Поскольку в настоящее время существует множество различных типов моделей, используемых для разных типов фаз, существует несколько термодинамических баз данных, бесплатных или коммерческих, для различных материалов, таких как стали, суперсплавы, полупроводниковые материалы, водные растворы , шлаки и т. д. также доступно несколько различных видов программного обеспечения, использующих разные алгоритмы расчета равновесия. Преимущество заключается в том, 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 заданного состава конкретной фазы.
Приложения
[ редактировать ]Начало CALPHAD было медленным в 60-х годах, но сложные системы термодинамических банков данных начали появляться в 80-х, и сегодня на рынке существует несколько коммерческих продуктов, например, FactSage, MTDATA, PANDAT, MatCalc, JMatPro и Thermo-Calc, а также открытые программы. -исходные коды, такие как OpenCalphad, [8] PyCalphad и ESPEI. Они используются в исследованиях и промышленных разработках (например, программное обеспечение PrecipiCalc и Materials by Design Technology), где они экономят большое количество времени и ресурсов за счет сокращения экспериментальной работы и предоставления термодинамических прогнозов 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 и во многих других журналах.
См. также
[ редактировать ]- Фазовая диаграмма
- Энергия Гиббса
- Энтальпия смешения
- Модель Мидемы
- Вычислительная термодинамика
- Термодинамические_базы_данных_для_чистых_веществ
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кауфман Л.; Бернштейн Х. (1970). Компьютерный расчет фазовых диаграмм . Академическое издательство Нью-Йорк. ISBN 0-12-402050-Х .
- ^ Перейти обратно: а б Фабричная Ольга Борисовна; Саксена Сурендра К.; Рише Паскаль; Веструм Эдгар Ф. младший (2004). Термодинамические данные, модели и фазовые диаграммы в многокомпонентных оксидных системах: оценка для ученых-материаловедов и планетологов на основе калориметрических, объемных данных и данных фазового равновесия . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 9783662105047 . OCLC 851391370 .
- ^ Каттнер Урсула Р. (2016). «Метод CALPHAD и его роль в разработке материалов и процессов» . Технол. Металл. Матер. Шахтер . 13 (1): 3–15. дои : 10.4322/2176-1523.1059 . ПМЦ 4912057 . ПМИД 27330879 .
- ^ Лукас Х.Л.; Фрис Сузана Г.; Сундман Бо (2007). Вычислительная термодинамика: метод CALPHAD . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521868112 . OCLC 663969016 .
- ^ Сондерс Н.; Мёдоник П. (1998). Кан Р.В. (ред.). Кальфад . Серия материалов Пергама, Том 1. ISBN 0-08-042129-6 .
- ^ Ю. Остин Чанг (2004). «Расчет фазовой диаграммы: прошлое, настоящее и будущее». Прогресс в материаловедении . 49 (3): 313–345. дои : 10.1016/S0079-6425(03)00025-2 .
- ^ Цзы-Куй Лю; Ван И (2016). Вычислительная термодинамика материалов . Кембридж. ISBN 9780521198967 . OCLC 960196125 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Сундман Бо (2021). «Алгоритмы, полезные для расчета многокомпонентных равновесий, фазовых диаграмм и других видов диаграмм». Кальфад . 75 : 102330. doi : 10.1016/j.calphad.2021.102330 .