Войти
CALPHAD означает «Расчет диаграмм PHAse», методологию, введенную в 1970 году Ларри Кауфманом. Равновесная фазовая диаграмма обычно представляет собой диаграмму с осями для температуры и состава химической системы. Он показывает области, в которых 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 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. Подход CALPHAD основан на том факте, что фазовая диаграмма является проявлением равновесных термодинамических свойств системы, которые являются суммой свойств отдельных фаз. Таким образом, можно рассчитать фазовую диаграмму, сначала оценив термодинамические свойства всех фаз в системе.
С помощью метода CALPHAD собирают всю экспериментальную информацию о фазовых равновесиях в системе и всю термодинамическую информацию, полученную в результате термохимических и теплофизических исследований. Затем термодинамические свойства каждой фазы описываются математической моделью, 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 заключается в получении согласованного описания 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.
Успех метода CALPHAD обусловлен двумя ключевыми факторами. Первый фактор - найти реалистичные, а также удобные математические модели для 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.
Второй важный фактор - это наличие компьютерного программного обеспечения для расчета равновесия, а также различных видов диаграмм и баз данных с сохраненной оценочной информацией. Поскольку в настоящее время существует множество различных типов моделей, используемых для различных типов фаз, существует несколько термодинамических баз данных, доступных бесплатно или на коммерческой основе, для различных материалов, таких как стали, суперсплавы, полупроводниковые материалы, водные растворы, шлаки и т. д. Существует также несколько различных видов 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 химический потенциал элемента или заданного состава определенной фазы.
Начало CALPHAD было медленным в 60-х, но сложные системы банка термодинамических 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 коды с открытым исходным кодом, 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 от Design Technology), где они экономят большое количество времени и ресурсов, сокращая экспериментальные работы и делая термодинамические прогнозы доступными для многокомпонентных систем, которые могут быть практически недостижимым без такого 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.
