Thermo-Calc 计算机在材料科学中的应用

Thermo-Calc

姓名：xxx

学号：111111111111

一、软件简介

相图计算（CALPHAD：Calculation of Phase Diagram）是在前人收集、总结热力学数据的基础上发展形成的一门新的介于热力学、相平衡和计算机科学之间的交叉学科。Thermo-Calc是一款基于已有文献和实验数据基础之上的相图和热力学计算软件，由瑞典皇家工学院（KTH）研发，并于1981年首次发布。经过将近30年的发展，Thermo-Calc现已成为数据齐全、功能强大、结构较为完整的计算系统，是目前世界上享有相当声誉的热力学计算软件。目前，该软件已被广泛用于计算不同体系的复杂相平衡或多元相图，在新材料设计，材料工程应用等过程中根据Thermo-Calc计算结果进行设计优化，可有效节省人力、物力。该软件最早被发展用于钢的热力学计算，有关钢的数据库也比其他体系的数据库更为完备，是钢铁材料研究过程中一款有力的工具，可从钢的平衡态相组成、合金化的影响、析出相形成规律等不同角度开展热力学计算。

目前该软件分为经典版（TCC）和视窗版（TCW）两种，计算机原理及过程完全一样。使用TCC能够更灵活、充分的发挥软件的功能，通过其中的“acro-file-open”命令还能直接调用已有程序，计算参数可以在文本格式的程序文件中随时修改，使日常的计算过程大为简化。TCW是在TCC基础上发展而来，采用了Windows界面，使初学者能够迅速根据窗口提示开展计算。本文仅针对后者进行简单介绍。

二、原理及应用

Thermo-Calc把历史形成的热力学文献数据打包备用，是所有各种热力学和相图计算的通用和柔性的软件包，是建立于强大的Gibbs能最小化基础之上的。它是多于30年和100人年的劳动以及很多各种项目的国际合作的结果。Thermo-Calc软件可使用多种热力学数据库，特别是热力学数据库的国际合作组织Scientific Group Thermodata Europe(SGTE)开发的数据库。其最大的优点在于使用灵活、方便，起到钢铁材料研发人员的桌面词典的作用。遇到新的钢种设计或者工艺优化时，通过对钢的平衡进行计算，可加深对各种热过程中钢的组织特点的理解，并指导材料设计工艺优化。

通过将直观的图形用户界面与热力学计算的强大引擎相结合，TCW可以方便地进行材料科学与工程领域的许多计算:

●相图(二元、三元、等温截面、垂直界面等) (可设置多达3个独立变量)

●单质、化合物、固溶体的热力学性质

●性质图(相分数、吉布斯自由能、热焓、C、体积等)

●易挥发分子的化学势、偏压(多达1000种分子)

●Scheil-Gulliver非平衡凝固模拟及其改进的考虑固相中间隙原子扩散的部分平衡凝固模

拟

●多元合金液相面计算

●热力学因子、驱动力

●多相平衡(可计算多达20多种成分)

●亚稳平衡、仲平衡

●特殊量的计算，例如Tm，绝对温度T，冷却因子，∂T/∂x等

●钢表面氧化膜的形成，钢或合金的精炼，PRE值

● CVM 计算，化学有序-无序

● “任何可定义的平衡” 三、 软件操作与数据分析

本例采用Thermo-Calc 软件计算Fe-8%Cr –0.1%C 三元系垂直截面图，其主要步骤如下：

1. 在运行Thermo-Calc 系统后，在TCW MATERIAL 窗选择计算用的数据库TER 98,并选

择Cr 、Fe 和C 元素，见图1。

2. 在CONTIDITIONS 条件窗内确定温度和成分等条件。如该例中选择温度T=1673K ，压

力P=100000Pa ，1个摩尔，成分ωc =0.1%，ωCr =8%，而后点击“Apply ”，见图2。

图2 条件窗内确定温度范围和成分等条件

3. 出现 THERMO-CALC 计算结果窗，见图3。如该例中选择“System/Map/Step ”定义栏，

“TCW MAP / STEP DEFINITION ”窗口同时弹出，见图4。在该窗口中定义轴1为X 轴，表示碳的质量分数ωc （%），范围0~1；轴2为Y 轴，表示温度（K ）

,范围200~2500K 。

图1 选择计算用的数据库和合金元素

图3 相图计算结果窗

图4绘图定义窗口

4.绘出相图，见图5。为了更清楚了解相图中的某个局部，可进行重定义选择。如欲得到

碳的质量分数在0~3%、温度在500~1600℃范围的相图，可点击“Redefine”按钮，选X 轴（0~3）；Y轴（500~1600℃），并重新画相图，如图6所示。

图5 计算绘制的Fe-8%Cr –0.1%C垂直截面图

图6 重新绘制的Fe-8%Cr –0.1 C部分垂直截面图

四、同类软件比较

当今最具代表性的材料集成热化学数据库和相图计算软件是上面介绍的Thermo-Calc 系统和加拿大蒙特利尔多学科性工业大学计算热力学中心为主开发的FACT系统。此外还有金属材料相图计算与材料性能模拟软件JMatPro和用于计算多元合金相图和热力学性能的软件Pandat。

Thermo-Calc软件开发历史比较悠久，因此功能较为完善和强大，所涉及领域比较广泛，包括冶金、金属合金、陶瓷、熔岩、硬质合金、粉末合金、无机物等等。它的数据库比较多，最完善的是Fe的数据库，其中很多都是用的是第三方的数据库。总体来说该软件功能强大，用户群较大方便交流，软件扩展性能好，灵活性强，使用范围广，不足之处是操作界面不友好，很难上手，计算引擎技术滞后。

FACT软件主要从熔盐、氧化物、无机物热力学计算发展起来的，可以进行多元相平衡计算，绘制电位PH图等，软件优势是操作简单，拥有最权威的熔盐，氧化物、炉渣等数据库，擅长高温区域热力学平衡计算，不足之处是功能不是很全面。现在可以通过互联网FACT 网站免费使用其的部分计算功能。

JMatPro是英国研发的用做金属材料性能计算（其他材料不可用）的软件，如计算热力学性能、热物理性能、机械性能、热处理相关性能（CCT/TTT、淬火）。该软件的数据库和软件绑定在一起，故无软件和数据库之分。主要优势是操作简单，短时间可以上手，材料性能计算独占性，定位独特，其不足为不可二次开发，灵活性差，部分功能有待进一步完善和发展。

Pandat软件是热力学计算的新秀，软件功能包括相图计算、热力学性能计算、凝固模拟、相图优化以及动力学二次开发等，其数据库的优势主要在于有色金属方面，尤其Mg和Al 的数据是最为优秀的。该软件优势在于界面十分友好，容易上手且不需要十分专业计算机知识即可操作，计算引擎先进，可二次开发，不足在于功能不是很完善，适用面比较窄，目前只推荐用于金属行业。