THERMO-CALC&DICTRA 热力学计算

下面简单介绍一下该软件相图计算的操作过程，以Fe-C-Cr 三元系为 例。 在多元合金的计算中，操作过程与上述介绍的类似 ，只是用到的数 据更多，计算量更大， 数据处理的过程中用到的热力学模型更多。下面 是多元合金（超过三种元素但少于40种元素，因为该软件所能处理的元 素含量最多即为40种）计算过程，限于演示软件最多只能计算三元相图， 部分操作只能再次以图片方式显示。 进入数据模块后是要进行相图计算体系的输入，输入的方式和刚才 三元合金系的相似，用DEFINE-SYSTEM 命令 。
9）FUNC_OPT_PLOT 模块：用于函数输入，进行计算画出 相图 。
10）REACTOR_SIMULATOR_3 模块：用于模拟材料的各 个反应阶段的稳态反应、不同反应阶段的能量转换以及绝 热条件，与TDB模块相联，从TDB模块取得定义体系的热 力学数据，从GES模块取得各个相的热力学数据的模型和进 行需要的计算，并在POLY-3模块中执行多阶段稳态反应的 局部平衡计算，列出各个反应阶段的模拟计算的结果。 11）PARROT 模块：包含许多子程序快，用于计算由试验 获得的一系列描述平衡态或各种不同反应体系动态过程的 热力学和动力学模型参数，并对得到的数据进行优化。优 化后的这些数据就可应用于其它模块中。
THERMO-CALC&DICTRA
热力学计算
（相图部分）
THERMO-CALC&DICTRA是由瑞典皇家工学院为进行热 力学与动力学计算而专门开发的热力学相计算软件。经过几十 年的完善发展，现已成为功能强大、结构较为完整的计算系统， 是目前在世界上享有相当声誉且具有一定权威的计算软件； THERMO-CALC&DICTRA是进行热力学模拟计算的，包 括相图计算（二元、三元相图，等温相图，等压相图等，最多 可达到五个自由变量）；纯物质、化合物、液相和化学反应的 热力学计算；Gibbs自由能计算；平衡、绝热温度的计算；平衡 相图、非平衡相图、超平衡相图的计算；燃烧、重熔、烧结、 燃烧、腐蚀生成物的计算；稳态反应热力学；集团变分法模拟 计算；气象沉积计算；薄膜、表面氧化层形成计算；ScheilGulliver 凝固过程模拟计算；卡诺循环的模拟；数据库的建立和 完善等； 该软件可以处理多组元系统，我们可以通过热力学计算， 查看多元合金体系中某一合金元素含量的变化对相图中不同相 稳定性的影响等，如图1所示。
相图的计算离不开热力学数据，而精确的数据往往是通过 试验得到的。只有对这些数据进行正确的归纳、整理和分析， 使之成为相图计算中有用的资料，才能求得与实际情况相符的 相图。进行相图的计算所用到的数据是一个庞大的数据集合， 而THERMO-CALC中的数据是经过科学的方法整理，存储与数 据库中，用到时调来使用即可。但是用户得注意数据的使用条 件，不同数据库中的数据一般是不好窜用的。这需要根据数据 库的说明来具体采取措施。 数据库中包括每个系统所专用的模型信息和各种参数的定 义及参数值，如：纯组元在参考态下的吉布斯自由能、组元在 不同相中的吉布斯自由能和各种金属间化合物的吉布斯自由能， 以及液固相的相平衡、平衡成分、组成相的体积分数，还有活 度、形成焓、表面张力、粘度等热化学特征。 当合金中所有相的热力学模型确定后，且模型参数也可由 数据库提供（提供不了的要通过试验获得，并经优化处理）， 利用相应的软件便可进行相图计算了。
VA表示的是 间隙相，是 系统默认的， 与采用的热 力学模型有 关。
TCFE3模块中的命令行，与演示 版本中的一样。
DEFINE-SYSTEM
LIST-SYSTEM
n=1表示的是当 各成分是以 分 数型式输入时， 整个体系示为 “单位 1”；当 数据以各自的重 量形式输入（即 存在超过 1值时） n=1这个式子就 不再有意义，系 统自会处理 。
自由度，在相平衡时自由度为零。在进行 相平衡计算时，必须是在自由度为零的情 况下，否则系统会提示出错。
出现系统提示，有时需要根据提示进行相应 的操作调整。在这个计算过程中，可以把它 当成是警告，而不必根据提示操作 。
在输入 MAP命令之前，需要进行文档保 存，便于今后计算时直接调用或是便于在 其它模块中读取文件，减少重复的操作。
12）DICTRA-MORNITOR 模块：用于扩散方程式的求解； 热力学方程的计算；熔体平衡方程式的求解；相界面的移 动和晶格点阵变化的模拟计算。
13）POTENTIAL_DIAGRAM 模块：用于气相——金属反应体 系，在一定压力、温度条件下，察看不同形态含金属的氧化物、 硫化物、碳化物、硅化物、氮化物等形成与混合气相的关系。 用各种命令行就可以计算和画出各种各样的金属——气相作用 体系的位图。 14）POURBAIX_DIAGRAM 模块：用于除了其它影响因素如： 体积分数、温度、压力等外，水溶液中不同组成相（气相、化 学计量比固态化合物以及固溶体）之间的基于酸度值pH和电位 Eh的计算。 15）TERNARY_DIAGRAM 模块：用于计算三元相图，得到三 角形的三元相图。
图1
Fe-4Cr-5Mo-8W-0.3Mn-0.3Si-C(wt.%) 相组成图
图2
文献图与实验图比较 （左：文献图； 右：软件计算图）
热力学模型
电子理论
实验相图
优化
热力学数据 （活度、形成焓等）
数据库 （存储热力学参数）
计算相图
图3
相图计算方法图解
THERMO-CALC系统
THERMO-CALC系统本身有600多个子程序，可以分成若 干个功能模块。模块之间通过规定的界面借口进行动作。它以 数据库和模型作为信息来源和计算基础，通过几个有各自不同 功能的模块进行相应的计算或操作。 1.数据库 THERMO-CALC现有几套不同的数据库，如铁基数据库、 钢数据库、炉渣数据库及考夫曼数据库等。其中的数据都是从 试验测得结果经评估获得。实验室现有的数据库包括： （1）铁基数据库：TCFE3; （2）镁基数据库：TTMG; （3）附加的数据库：PAQ2、PCHAT、PG35、PGEO、PKP、 PBIN、PION、PSUB、PTERN、PURE4、PFRIB、USER、 COST2。
4）Scheil模块（ SCHELL_SIMULATION ）：用于模拟非平 衡凝固行为，利用THERMO-CALC模块可以做相平衡计算 （如液相线及固相线温度、各相的成分及比例等）、相图计 算及热力学量的计算，还可以将热力学数据制成表格、计算 化学反应的热化学变化及驱动力、评价化学系统的相平衡及 相转换，并且通过自动绘图程序绘制各种多元相图。目前， 许多外国非专业热力学计算的材料工作者都利用它来进行热 力学计算。 5）SYSTEM_UTILITIES 模块：用于进行模块间连接设置， 建立和执行宏文件，搜索指令信息，进行综合设置。这对相 图计算，并获得计算结果以及便利的执行多种计算任务是十 分必要的。还可以进行用户界面、命令单元设置，错误状态 报告，文件列表等操作。 6）TABULATION_REACTION 模块：用于将任一种物质， 化学计量比化合物或是液相，反应的热力学函数计算得到的 数据制成表格。目前，该模块在均一的稳定态或是反应的
操作步骤 ：
1.双击桌面上 图标 ，进入下图所示操作界面 ；
2.在光标处输入相应的命令 ，如 SET-LOG-FILE，用以生成指令 文件 ，可以根据该指令文件查出相图计算的具体操作过程（各次 输入的命令操作），如下图所示；
3.进入模块：在各模块中用命令执行相图计算所需要的操作，如： 输入需要计算的体系 ，Fe-C-Cr-V-W-Mo-Si-N-Ni;读取数据，进入 POLY-3模块进行平衡相图的计算，并得到想要的相图 。
菜单栏 工具栏
A :字体，可以进行字体设置，如：字号、字体颜色、字体、下划线、 阴影等设置；
→ ：箭头设置，可以在得到的相图中进行箭头指示，标出特定区域 或作出标记，如：箭头大小、颜色、箭头粗细、箭头位置等的设置； ：显示标题； ：THERMO-CALC软件计算出的相图的标记；
F：
W: C: DB: 显示数据库；
下面是已知论文中用热了学计算得到的相图与经过试验计 算得到的相图比较：从图中可以看出，各个相取得组织组成 略有差别，但是差别不是很大。图中标出的相有的是在计算 时可以去除的。像其中的 Cr3O4相就可以省去，因为计算中 它的含量很少 。如图2所示。 该软件的相图计算方法构型图3表示。
曲线表示 相的出现 或消失， 即相线； 数字表示 出现的相 成分。
TCFE3数据库（铁库）
TCFE3中包含的元素有：Al、B、C、Co、Cr、Cu、Fe、Mg、 Mo、Mn、N、Nb、Ni、O、P、S、Si、Ti、V、W；
使用条件：各元素含量（%）
Al V Ni Mo N
5.0 5.0 20.0 10.0 1.0
Cu C W Si Ti
1.0 5.0 15.0 5.0 2.0
Nb Mn Co Cr Fe
5.0 20.0 15.0 30.0 min50 Trace
B、Mg、P、S、O
数据库中的各个相描述：
Phase Database Phase Database Phase Database
Austenite FCC#1
M(C,N)x FCC#2
Ferrite
BCC
α-Mn
稳态物质计算中用得较多，且计算结果会以表格形式或是制成 图形方式列出。

7）GIBBS-ENERGY-SYSTEM（GES） 模块：是THERMOCALC的基本模块，包含完整的热力学计算的子程序块。任意 应用程序进行热力学计算时均可调用该模块的子程序。该模块 与所有THERMO-CALC模块相关联，除非需要进行输入数值， 一般用户不需要使用GES模块。模块包含有由各种热力学模型 建立的子程序，但是多数与模型相关的特征潜藏在模块中，用 户需要用一系列标准子程序进行计算。POLY和DICTRA模块在 进行计算时会自动调用GES模块中相应的子程序进行相应的热 力学计算。可通过用户界面输入一系列常用命令，输入和修改 相状态以及热力学参数值等。 8）BINARY_DIAGRAM_EASY 模块：用于二元相图的计算， 并得到相应的二元相图。
β-Mn
CBCC-A12
CUB-A13
M2(C,N) HCP#2
2.模块 1）数据读取模块（DATABASE_RETRIEVAL）：用于定义 合金系统选择合金元素，并从数据库中搜索、定位及提取各 种所需要的参数数据；列出合金中所涵盖的相及成分等。 2）Poly-3模块：用于定义使用者想要计算的相平衡或相图的 条件，如：组分、温度及活度等，并列出计算所得的每一项 的成分。该模块可用来计算单个相平衡，也可绘制一至三维 的相图或投影图。其所具有的后处理功能可以允许使用者将 相关的热力学数据制成表格，或依照使用者的意图，选择相 关的量和比例尺，将结果以其他方式表达出来。 3）热力学模型模块：为每一个相选择合适的热力学模型。 热力学模型的选择决定了各项的吉布斯自由能与参数的相关 程度。同时模块也会列出所有从数据库中读取的热化学信息 （也可交互式输入）及参数的表达式。