THERMOCALCDICTRA熱力學(xué)計(jì)算PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1THERMOCALCDICTRA熱力學(xué)計(jì)算熱力學(xué)計(jì)算 THERMO-CALC&DICTRA是由瑞典皇家工學(xué)院為進(jìn)行熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的熱力學(xué)相計(jì)算軟件。經(jīng)過(guò)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(jì)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(jì)算軟件； THERMO-CALC&DICTRA是進(jìn)行熱力學(xué)模擬計(jì)算的，包括相圖計(jì)算（二元、三元相圖，等溫相圖，等壓相圖等，最多可達(dá)到五個(gè)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(jì)算；Gibbs自由能計(jì)算；平衡、絕熱溫度的計(jì)算；平衡相圖、非平衡相圖、超平衡相圖的計(jì)算；燃燒、重熔、燒結(jié)、燃燒、腐蝕生

2、成物的計(jì)算；穩(wěn)態(tài)反應(yīng)熱力學(xué)；集團(tuán)變分法模擬計(jì)算；氣象沉積計(jì)算；薄膜、表面氧化層形成計(jì)算；Scheil-Gulliver 凝固過(guò)程模擬計(jì)算；卡諾循環(huán)的模擬；數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)熱力學(xué)計(jì)算，查看多元合金體系中某一合金元素含量的變化對(duì)相圖中不同相穩(wěn)定性的影響等，如圖1所示。第1頁(yè)/共25頁(yè) 下面是已知論文中用熱了學(xué)計(jì)算得到的相圖與經(jīng)過(guò)試驗(yàn)計(jì)算得到的相圖比較：從圖中可以看出，各個(gè)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(jì)算時(shí)可以去除的。像其中的 Cr3O4相就可以省去，因?yàn)橛?jì)算中它的含量很少 。如圖2所示。 該軟件的相圖計(jì)算方法構(gòu)型圖3表

3、示。 第2頁(yè)/共25頁(yè) 圖圖1 Fe-4Cr-5Mo-8W-0.3Mn-0.3Si-C(wt.%) 相組成圖相組成圖曲線(xiàn)表示相的出現(xiàn)或消失，即相線(xiàn)；數(shù)字表示出現(xiàn)的相成分。第3頁(yè)/共25頁(yè) 圖圖2 文獻(xiàn)圖與實(shí)驗(yàn)圖比較文獻(xiàn)圖與實(shí)驗(yàn)圖比較 （左：文獻(xiàn)圖；（左：文獻(xiàn)圖； 右：軟件計(jì)算圖）右：軟件計(jì)算圖）第4頁(yè)/共25頁(yè)熱力學(xué)模型電子理論優(yōu)化實(shí)驗(yàn)相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)（活度、形成焓等）數(shù)據(jù)庫(kù)（存儲(chǔ)熱力學(xué)參數(shù)）計(jì)算相圖 圖圖3 相圖計(jì)算方法圖解相圖計(jì)算方法圖解第5頁(yè)/共25頁(yè)THERMO-CALC系統(tǒng) THERMO-CALC系統(tǒng)本身有600多個(gè)子程序，可以分成若干個(gè)功能模塊。模塊之間通過(guò)規(guī)定的界面借口進(jìn)行動(dòng)作。它

4、以數(shù)據(jù)庫(kù)和模型作為信息來(lái)源和計(jì)算基礎(chǔ)，通過(guò)幾個(gè)有各自不同功能的模塊進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算或操作。1.數(shù)據(jù)庫(kù) THERMO-CALC現(xiàn)有幾套不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，如鐵基數(shù)據(jù)庫(kù)、鋼數(shù)據(jù)庫(kù)、爐渣數(shù)據(jù)庫(kù)及考夫曼數(shù)據(jù)庫(kù)等。其中的數(shù)據(jù)都是從試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果經(jīng)評(píng)估獲得。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)包括：（1）鐵基數(shù)據(jù)庫(kù)：TCFE3;（2）鎂基數(shù)據(jù)庫(kù)：TTMG;（3）附加的數(shù)據(jù)庫(kù)：PAQ2、PCHAT、PG35、PGEO、PKP、 PBIN、PION、PSUB、PTERN、PURE4、PFRIB、USER、COST2。第6頁(yè)/共25頁(yè) 相圖的計(jì)算離不開(kāi)熱力學(xué)數(shù)據(jù)，而精確的數(shù)據(jù)往往是通過(guò)試驗(yàn)得到的。只有對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的歸納、整理和分析，

5、使之成為相圖計(jì)算中有用的資料，才能求得與實(shí)際情況相符的相圖。進(jìn)行相圖的計(jì)算所用到的數(shù)據(jù)是一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)集合，而THERMO-CALC中的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)科學(xué)的方法整理，存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)庫(kù)中，用到時(shí)調(diào)來(lái)使用即可。但是用戶(hù)得注意數(shù)據(jù)的使用條件，不同數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)一般是不好竄用的。這需要根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的說(shuō)明來(lái)具體采取措施。 數(shù)據(jù)庫(kù)中包括每個(gè)系統(tǒng)所專(zhuān)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、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

6、參數(shù)也可由數(shù)據(jù)庫(kù)提供（提供不了的要通過(guò)試驗(yàn)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(jì)算了。第7頁(yè)/共25頁(yè)TCFE3數(shù)據(jù)庫(kù)（鐵庫(kù)）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；使用條件：各元素含量（%）Al5.0Cu1.0Nb5.0V5.0C5.0Mn20.0Ni20.0W15.0Co15.0Mo10.0Si5.0Cr30.0N1.0Ti2.0Femin50B、Mg、P、S、OTrace第8頁(yè)/共25頁(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各個(gè)相描述：PhaseDatabase PhaseDatabasePhaseDatabase

7、Austenite FCC#1FerriteBCC-MnCBCC-A12M(C,N)xFCC#2M2(C,N)HCP#2-MnCUB-A13第9頁(yè)/共25頁(yè)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(kù)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計(jì)算的相平衡或相圖的條件，如：組分、溫度及活度等，并列出計(jì)算所得的每一項(xiàng)的成分。該模塊可用來(lái)計(jì)算單個(gè)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

8、關(guān)的量和比例尺，將結(jié)果以其他方式表達(dá)出來(lái)。3）熱力學(xué)模型模塊：為每一個(gè)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(xiàng)的吉布斯自由能與參數(shù)的相關(guān)程度。同時(shí)模塊也會(huì)列出所有從數(shù)據(jù)庫(kù)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(yè)/共25頁(yè)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(jì)算（如液相線(xiàn)及固相線(xiàn)溫度、各相的成分及比例等）、相圖計(jì)算及熱力學(xué)量的計(jì)算，還可以將熱力學(xué)數(shù)據(jù)制成表格、計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的熱化學(xué)變化及驅(qū)動(dòng)力、評(píng)價(jià)化學(xué)系統(tǒng)的相平衡及相轉(zhuǎn)換，并且通過(guò)自動(dòng)繪圖程序繪制各種多元相圖。目前，許多外國(guó)

9、非專(zhuān)業(yè)熱力學(xué)計(jì)算的材料工作者都利用它來(lái)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)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(duì)相圖計(jì)算，并獲得計(jì)算結(jié)果以及便利的執(zhí)行多種計(jì)算任務(wù)是十分必要的。還可以進(jìn)行用戶(hù)界面、命令單元設(shè)置，錯(cuò)誤狀態(tài)報(bào)告，文件列表等操作。6）TABULATION_REACTION 模塊：用于將任一種物質(zhì)，化學(xué)計(jì)量比化合物或是液相，反應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)計(jì)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(yè)/共25頁(yè)穩(wěn)態(tài)物質(zhì)計(jì)算中用得較多，且計(jì)算結(jié)果會(huì)以表格形式或是制成圖形方式列出。7）GIBBS-ENERGY-SYSTEM（

10、GES） 模塊：是THERMO-CALC的基本模塊，包含完整的熱力學(xué)計(jì)算的子程序塊。任意應(yīng)用程序進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算時(shí)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(hù)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(hù)需要用一系列標(biāo)準(zhǔn)子程序進(jìn)行計(jì)算。POLY和DICTRA模塊在進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)自動(dòng)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(jì)算。可通過(guò)用戶(hù)界面輸入一系列常用命令，輸入和修改相狀態(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(jì)算，并得到相應(yīng)的二元相

11、圖。第12頁(yè)/共25頁(yè)9）FUNC_OPT_PLOT 模塊：用于函數(shù)輸入，進(jìn)行計(jì)算畫(huà)出相圖 。10）REACTOR_SIMULATOR_3 模塊：用于模擬材料的各個(gè)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(gè)相的熱力學(xué)數(shù)據(jù)的模型和進(jìn)行需要的計(jì)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(jì)算，列出各個(gè)反應(yīng)階段的模擬計(jì)算的結(jié)果。11）PARROT 模塊：包含許多子程序快，用于計(jì)算由試驗(yàn)獲得的一系列描述平衡態(tài)或各種不同反應(yīng)體系動(dòng)態(tài)過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，并對(duì)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

12、應(yīng)用于其它模塊中。12）DICTRA-MORNITOR 模塊：用于擴(kuò)散方程式的求解；熱力學(xué)方程的計(jì)算；熔體平衡方程式的求解；相界面的移動(dòng)和晶格點(diǎn)陣變化的模擬計(jì)算。第13頁(yè)/共25頁(yè)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)含金屬的氧化物、硫化物、碳化物、硅化物、氮化物等形成與混合氣相的關(guān)系。用各種命令行就可以計(jì)算和畫(huà)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(jì)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E

13、h的計(jì)算。15）TERNARY_DIAGRAM 模塊：用于計(jì)算三元相圖，得到三角形的三元相圖。第14頁(yè)/共25頁(yè)操作步驟操作步驟 ： 1.雙擊桌面上雙擊桌面上 圖標(biāo)圖標(biāo) ，進(jìn)入下圖所示操作界面，進(jìn)入下圖所示操作界面 ；2.在光標(biāo)處輸入相應(yīng)的命令在光標(biāo)處輸入相應(yīng)的命令 ，如，如 SET-LOG-FILE，用以生成指令用以生成指令文件文件 ，可以根據(jù)該指令文件查出相圖計(jì)算的具體操作過(guò)程（各次，可以根據(jù)該指令文件查出相圖計(jì)算的具體操作過(guò)程（各次輸入的命令操作），如下圖所示；輸入的命令操作），如下圖所示；第15頁(yè)/共25頁(yè)3.進(jìn)入模塊：在各模塊中用命令執(zhí)行相圖計(jì)算所需要的操作，如：進(jìn)入模塊：在各模塊中

14、用命令執(zhí)行相圖計(jì)算所需要的操作，如： 輸入需要計(jì)算的體系輸入需要計(jì)算的體系 ，F(xiàn)e-C-Cr-V-W-Mo-Si-N-Ni;讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)入讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)入POLY-3模塊進(jìn)行平衡相圖的計(jì)算，并得到想要的相圖模塊進(jìn)行平衡相圖的計(jì)算，并得到想要的相圖 。第16頁(yè)/共25頁(yè) 下面簡(jiǎn)單介紹一下該軟件相圖計(jì)算的操作過(guò)程，以下面簡(jiǎn)單介紹一下該軟件相圖計(jì)算的操作過(guò)程，以Fe-C-Cr 三元系為三元系為例。例。 在多元合金的計(jì)算中，操作過(guò)程與上述介紹的類(lèi)似在多元合金的計(jì)算中，操作過(guò)程與上述介紹的類(lèi)似 ，只是用到的數(shù)，只是用到的數(shù)據(jù)更多，計(jì)算量更大，據(jù)更多，計(jì)算量更大， 數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中用到的熱力學(xué)模型更多。下面

15、數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中用到的熱力學(xué)模型更多。下面是多元合金（超過(guò)三種元素但少于是多元合金（超過(guò)三種元素但少于40種元素，因?yàn)樵撥浖芴幚淼脑N元素，因?yàn)樵撥浖芴幚淼脑睾孔疃嗉礊樗睾孔疃嗉礊?0種）計(jì)算過(guò)程，限于演示軟件最多只能計(jì)算三元相圖種）計(jì)算過(guò)程，限于演示軟件最多只能計(jì)算三元相圖，部分操作只能再次以圖片方式顯示。，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(jì)算體系的輸入，輸入的方式和剛才進(jìn)入數(shù)據(jù)模塊后是要進(jìn)行相圖計(jì)算體系的輸入，輸入的方式和剛才三元合金系的相似，用三元合金系的相似，用DEFINE-SYSTEM 命令命令 。第17頁(yè)/共25頁(yè)VA表示的表示的是間隙相，

16、是間隙相，是系統(tǒng)默認(rèn)是系統(tǒng)默認(rèn)的，與采用的，與采用的熱力學(xué)模的熱力學(xué)模型有關(guān)。型有關(guān)。TCFE3模塊中的命令行，與演示模塊中的命令行，與演示版本中的一樣。版本中的一樣。第18頁(yè)/共25頁(yè)DEFINE-SYSTEMLIST-SYSTEM第19頁(yè)/共25頁(yè) n=1表示的是當(dāng)表示的是當(dāng)各成分是以各成分是以 分分?jǐn)?shù)型式輸入時(shí)數(shù)型式輸入時(shí)，整個(gè)體系示，整個(gè)體系示為為“單位單位 1”；當(dāng)數(shù)據(jù)以各自當(dāng)數(shù)據(jù)以各自的重量形式輸?shù)闹亓啃问捷斎耄创嬖诔耄创嬖诔^(guò)過(guò) 1值時(shí)）值時(shí)）n=1這個(gè)式子就不這個(gè)式子就不再有意義，系再有意義，系統(tǒng)自會(huì)處理統(tǒng)自會(huì)處理 。自由度，在相平衡時(shí)自由度為零。在進(jìn)行自由度，在相平衡時(shí)自由度為零。在進(jìn)行相平衡計(jì)算時(shí)，必須是在自由度為零的情相平衡計(jì)算時(shí)，必須是在自由度為零的情況下，否則系統(tǒng)會(huì)提示出錯(cuò)。況下，否則系統(tǒng)會(huì)提示出錯(cuò)。第20頁(yè)/共25頁(yè)出現(xiàn)系統(tǒng)提示，有時(shí)需要根據(jù)提示進(jìn)行相應(yīng)出現(xiàn)系統(tǒng)提示，有時(shí)需要根據(jù)提示進(jìn)行相應(yīng)的操作調(diào)整。在這個(gè)計(jì)算過(guò)程中，可以把它的操作調(diào)整。在這個(gè)計(jì)算過(guò)程中，可以把它當(dāng)成是警告，而不必根據(jù)提示操作當(dāng)成是警告，而不必根據(jù)提示操作 。第21頁(yè)/共25頁(yè)在輸入在輸入 MAP命令之前，需要進(jìn)行