熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算技術(shù)在鋼鐵材料研究中的應(yīng)用

內(nèi)容概要

　　《熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算技術(shù)在鋼鐵材料研究中的應(yīng)用》以作者長(zhǎng)期在鋼鐵材料研發(fā)工作中積累的有關(guān)材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)方法的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新研究進(jìn)展，系統(tǒng)介紹了CALPHAD相圖計(jì)算方法和熱力學(xué)原理，以及各種材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并以最流行的Thermo—Calc／DICTRA軟件系統(tǒng)為例，重點(diǎn)討論了如何利用這類方法和軟件計(jì)算材料的一些基本熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，最后介紹了運(yùn)用該方法解決鋼鐵材料研究、生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的系統(tǒng)案例。《熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算技術(shù)在鋼鐵材料研究中的應(yīng)用》適合從事鋼鐵材料研發(fā)、生產(chǎn)的科技人員和工程技術(shù)人員閱讀使用，也可作為大專院校相關(guān)專業(yè)師生的教學(xué)參考用書(shū)。

書(shū)籍目錄

序前言第1章　緒論第2章　基于CALPHAD的材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模擬2．1　材料熱力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)史2．2　材料相圖計(jì)算2．2．1　汁算相圖的興起2．2．2　CALPHAD相圖計(jì)算的熱力學(xué)原理2．2．3　CALPHAD相變動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型2．2．4　合金集團(tuán)型數(shù)據(jù)庫(kù)2．3　材料熱力學(xué)計(jì)算的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)2．3．1　CALPHAD熱力學(xué)計(jì)算的特征和優(yōu)勢(shì)2．3．2　材料熱力學(xué)計(jì)算的發(fā)展方向2．4　本章總結(jié)參考文獻(xiàn)第3章　材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介3．1　Thermo—Calc及D1CTRA系統(tǒng)3．1．1　開(kāi)發(fā)歷史3．1．2　系統(tǒng)組成3．1．3　功能及應(yīng)用3．2　FactSage系統(tǒng)3．2．1　開(kāi)發(fā)歷史3．2．2　系統(tǒng)組成3．2．3　功能及應(yīng)用3．3　Pandat系統(tǒng)3．3．1　開(kāi)發(fā)歷史3．3．2　系統(tǒng)組成3．3．3　功能及應(yīng)用3．4　JMatPro系統(tǒng)3．4．1　開(kāi)發(fā)歷史3．4．2　系統(tǒng)組成3．4．3　功能及應(yīng)用3．5　主要數(shù)據(jù)庫(kù)資源3．5．1　SGTE數(shù)據(jù)庫(kù)3．5．2　NIsT數(shù)據(jù)庫(kù)3．5．3　Thernl伊Calc數(shù)據(jù)庫(kù)3．5．4　FactSage數(shù)據(jù)庫(kù)3．5．5　HSC熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)3．5．6　THERMODATA熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)3．5．7　MTDATA熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)3．5．8　國(guó)內(nèi)的材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)3．6　本章總結(jié)參考文獻(xiàn)第4章　材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)方法基礎(chǔ)算例4．1　二元相圖的計(jì)算4．1．1　計(jì)算目的4．1．2　計(jì)算對(duì)象4．1．3　計(jì)算方法與程序4．1．4　計(jì)算實(shí)例4．2　三元相圖的計(jì)算4．2．1　計(jì)算目的4．2．2　計(jì)算對(duì)象4．2．3　計(jì)算方法與程序4．2．4　計(jì)算實(shí)例4．3　平衡相變點(diǎn)的計(jì)算4．3．1　計(jì)算目的4．3．2　計(jì)算對(duì)象4．3．3　計(jì)算方法與程序4．3．4　計(jì)算實(shí)例4．4　相變驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算4．4．1　計(jì)算目的4．4．2　計(jì)算對(duì)象4．4．3　計(jì)算方法與程序4．4．4　計(jì)算實(shí)例4．5　熱力學(xué)平衡狀態(tài)變量的計(jì)算4．5．1　計(jì)算目的4．5．2　計(jì)算對(duì)象4．5．3　計(jì)算方法與程序4．5．4　計(jì)算實(shí)例4．6　多組元體系相圖及性質(zhì)圖的計(jì)算4．6．1　計(jì)算目的4．6．2　計(jì)算對(duì)象4．6．3　計(jì)算方法與程序4．6．4　計(jì)算實(shí)例4．7　凝固計(jì)算4．7．1　計(jì)算目的4．7．2　計(jì)算對(duì)象4．7．3　計(jì)算方法與程序4．7．4　計(jì)算實(shí)例4．8　DICTRA計(jì)算元素?cái)U(kuò)散問(wèn)題4．8．1　計(jì)算目的4．8．2　計(jì)算對(duì)象4．8．3　計(jì)算方法與程序4．8．4　計(jì)算實(shí)例4．9　動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的獲取4．9．1　計(jì)算目的4．9．2　計(jì)算對(duì)象4．9．3　計(jì)算方法與程序4．10　本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第5章　材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算應(yīng)用實(shí)例5．1　含Cu鋼表面裂紋的控制5．1．1　項(xiàng)目背景5．1．2　研究對(duì)象5．1．3　研究方法與結(jié)果5．1．4　產(chǎn)品（技術(shù)）應(yīng)用情況5．2　氧化物冶金領(lǐng)域的應(yīng)用5．2．1　頁(yè)目背景5．2．2　研究對(duì)象5．2．3　研究方法與結(jié)果5．2．4　產(chǎn)品（技術(shù)）應(yīng)用情況5．3　相圖計(jì)算在節(jié)鎳型不銹鋼設(shè)計(jì)上的應(yīng)用5．3．1　項(xiàng)目背景5．3．2　研究對(duì)象5．3．3　研究方法與結(jié)果5．3．4　產(chǎn)品（技術(shù)）應(yīng)用情況5．4　海洋平臺(tái)用高強(qiáng)度特厚鋼板的合金設(shè)計(jì)5．4．1　項(xiàng)目背景5．4．2　研究對(duì)象5．4．3　研究方法與結(jié)果5．4．4　產(chǎn)品（技術(shù)）應(yīng)用情況5．5　合金元素對(duì)車輪鋼的相變熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)的影響5．5．1　項(xiàng)目背景5．5．2　研究對(duì)象5．5．3　研究方法和結(jié)果5．5．4　產(chǎn)品（技術(shù)）應(yīng)用情況5．6　V-N微合金化技術(shù)與Thermo—Calc熱力學(xué)計(jì)算5．6．1　項(xiàng)目背景5．6．2　研究對(duì)象5．6．3　研究方法和結(jié)果5．6．4　產(chǎn)品（技術(shù)）應(yīng)用情況5．7　LNG儲(chǔ)罐用9Ni低溫鋼的精細(xì)組織結(jié)構(gòu)研究5．7．1　項(xiàng)目背景5．7．2　研究對(duì)象5．7．3　研究方法和結(jié)果5．7．4　產(chǎn)品（技術(shù)）應(yīng)用情況5．8　本章小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論 數(shù)千年來(lái)，人類歷史上新材料的研究與開(kāi)發(fā)一直沿用了試錯(cuò)法（trial and error）的模式，經(jīng)過(guò)反復(fù)、大量的實(shí)驗(yàn)摸索，才能探索到一種更好的材料成分與工藝。材料研究者和工藝師一直渴望達(dá)到這樣的自由境界：能夠從設(shè)計(jì)的材料組成和工藝來(lái)預(yù)知其組織性能，或根據(jù)性能要求來(lái)設(shè)計(jì)其組成和工藝。因此，探知材料的組成、工藝與微觀結(jié)構(gòu)，乃至宏觀性能之間的關(guān)系，一直是新材料研究所關(guān)注的焦點(diǎn)和難題。過(guò)去的幾十年里，計(jì)算模擬技術(shù)的日益成熟對(duì)材料設(shè)計(jì)產(chǎn)生了革命性的影響。各種熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的組合，使得預(yù)測(cè)材料加工過(guò)程中的成分、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)成為可能。材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、溫度-應(yīng)變場(chǎng)分析以及由此發(fā)展起來(lái)組織模擬、工藝模擬、計(jì)算機(jī)輔助合金設(shè)計(jì)及性能預(yù)報(bào)技術(shù)，在先進(jìn)材料研發(fā)和生產(chǎn)工藝研究中的地位日益重要。針對(duì)多元多相體系，將各元素、組元、相的熱力學(xué)平衡信息以及材料加工過(guò)程中的相變動(dòng)力學(xué)（以及化學(xué)反應(yīng)、表面反應(yīng)、形核、熟化、流體流動(dòng)性等）信息整合在一個(gè)軟件系統(tǒng)中，這就是材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)。它們可以為許多不同的領(lǐng)域提供準(zhǔn)確的計(jì)算服務(wù)，如冶金、鋼鐵/合金、陶瓷、高分子、化工、燃燒、溶液化學(xué)、地球化學(xué)甚至宇宙化學(xué)等?？梢酝瑫r(shí)考慮的組分或相平衡可多達(dá)十幾乃至幾十種。這類方法最重要的特性之一就是提供了一種較之實(shí)驗(yàn)方法更為快捷的手段，使我們能夠在不同外部和內(nèi)部因素影響下研究熱力學(xué)平衡以及動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這不僅可以大大簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)研究工作、縮短研究時(shí)間、節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)、縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并且可以模擬極端條件下實(shí)際無(wú)法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，有力地促進(jìn)原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新活動(dòng)。對(duì)于鋼鐵材料而言，材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模擬的意義尤為重大。因?yàn)殇撹F是產(chǎn)量最大、應(yīng)用面最廣的材料，其組成元素較多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，其中每一個(gè)環(huán)節(jié)的變化都對(duì)后續(xù)的工藝乃至最終產(chǎn)品的性能產(chǎn)生顯著的影響。以前，鋼鐵材料的發(fā)展很大程度上依賴于工程師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，具有很大局限性。隨著近年來(lái)研究工作不斷深入，物理冶金方面的研究取得了巨大進(jìn)展，已經(jīng)能夠相當(dāng)準(zhǔn)確地把握鋼鐵材料內(nèi)部發(fā)生的冶金現(xiàn)象。因此，鋼鐵冶金工業(yè)已經(jīng)成為材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模擬應(yīng)用最為成功的領(lǐng)域之一。這種方法上的巨大變化如圖1-1所示。通過(guò)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，把握材料中每一個(gè)關(guān)鍵相的產(chǎn)生、演變過(guò)程，了解材料使用狀態(tài)的相組成，再結(jié)合對(duì)這些組成相的特性的認(rèn)識(shí)，去設(shè)計(jì)和預(yù)估材料的宏觀力學(xué)性能、物理性能。材料熱力學(xué)計(jì)算的三大要素是熱力學(xué)模型、熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和熱力學(xué)軟件。（1）熱力學(xué)模型：從熱力學(xué)基本原理出發(fā)，建立材料熱力學(xué)的數(shù)學(xué)模型并以算法形式表達(dá)出來(lái)； （2）熱力學(xué)數(shù)據(jù)：積累和優(yōu)化各種材料體系的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，形成各類材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)； （3）熱力學(xué)軟件：利用以上熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算模型，采用最小自由能等優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)各種條件下復(fù)雜體系的相平衡計(jì)算，從而獲得計(jì)算相圖或體系平衡的其他信息。動(dòng)力學(xué)計(jì)算以熱力學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)，但需要引入以時(shí)間為變量的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型和原子移動(dòng)性數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)大量的迭代運(yùn)算，獲得材料熱力學(xué)狀態(tài)隨時(shí)間的變化關(guān)系，因此計(jì)算時(shí)間也更長(zhǎng)。通過(guò)將共性化的熱力學(xué)基本模型與個(gè)性化的材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，使得這些計(jì)算軟件獲得了前所未有的普適性，僅僅通過(guò)一些熱力學(xué)參數(shù)的改變，就可以描述絕大多數(shù)材料的相變特性和主要物理化學(xué)特征。這是迄今為止，具有最廣泛成功經(jīng)驗(yàn)的材料設(shè)計(jì)理念，如圖1-2所示。正是看到這一發(fā)展趨勢(shì)，2011年6月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布了一項(xiàng)超過(guò)5億美元的“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”計(jì)劃，其核心內(nèi)容之一是所謂“材料基因組計(jì)劃” （materials genome initiative，MGI）?！安牧匣蚪M計(jì)劃”的目的是為新材料發(fā)展提供必要的工具集，通過(guò)強(qiáng)大的計(jì)算分析減少對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的依賴，加上實(shí)驗(yàn)與表征方面的進(jìn)步，顯著加快新材料投入市場(chǎng)的種類及速度，其開(kāi)發(fā)周期可從目前的10～20年縮短為2～3年。與“人類基因組計(jì)劃”相比較，“材料基因組計(jì)劃”中熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是區(qū)別各種材料特征的“基因”，而近年來(lái)材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取手段的進(jìn)步可以媲美當(dāng)年“基因快速測(cè)序”手段上的突破?？梢钥吹剑谶@些理念和方法的影響下，材料科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)全新的階段，以材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模擬為代表的材料計(jì)算技術(shù)，正在從根本上改變著數(shù)千年來(lái)經(jīng)驗(yàn)主義占統(tǒng)治地位的材料研究歷史。第2章 基于CALPHAD的材料熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)模擬 熱力學(xué)的基本概念是熱力學(xué)平衡。熱力學(xué)平衡是熱力學(xué)體系在絕熱情況下的一類最終狀態(tài)，即體系中各點(diǎn)都達(dá)到熱平衡、機(jī)械平衡和化學(xué)平衡，并且沒(méi)有熱流。實(shí)踐中，如果達(dá)到平衡的過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于外界壓力、溫度、化學(xué)成分帶來(lái)的系統(tǒng)邊界的變化，即可近似認(rèn)為滿足絕熱條件，這就是“局部平衡假設(shè)”。如燃燒過(guò)程一般認(rèn)為是絕熱的，其熱損失一般忽略不計(jì)。在化學(xué)反應(yīng)器中，通常也認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱流速率，因此即使熱流存在于反應(yīng)器中，化學(xué)平衡（或局部化學(xué)平衡）也可以達(dá)成。兩個(gè)極端的例子是：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒產(chǎn)物在10-5s內(nèi)達(dá)到平衡，而一些地質(zhì)反應(yīng)需要數(shù)百萬(wàn)年（1014s）才能達(dá)到平衡。材料熱力學(xué)是經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)理論在材料研究方面的應(yīng)用，其目的在于揭示材料中相和組織的形成規(guī)律。其主要研究對(duì)象是：固態(tài)材料中的熔化與凝固以及各類固態(tài)相變、相平衡關(guān)系和相平衡成分的確定、結(jié)構(gòu)上的物理和化學(xué)有序性以及各類晶體缺陷的形成條件等。同樣，材料熱力學(xué)也遵從“局部平衡假設(shè)”，為了保證計(jì)算的有效性和適用性，必要時(shí)還需引入高濃度溶液近似等其他約束條件。一些新的軟件工具通過(guò)非線性項(xiàng)的近似處理，也可以對(duì)一些亞穩(wěn)態(tài)相平衡做出計(jì)算。簡(jiǎn)言之，一個(gè)典型熱力學(xué)模型的主要組成部分應(yīng)包括：（1）熱力學(xué)平衡的溫度、壓力參數(shù)； （2）體系的化學(xué)元素列表、數(shù)量及基本性質(zhì)； （3）體系的組元列表及其熱力學(xué)性質(zhì)； （4）相平衡方程； （5）相中各組元的分布； （6）保證平衡假設(shè)的其他約束條件，如高濃度溶液的近似處理等。熱力學(xué)模型的求解取決于很多基本化學(xué)及熱力學(xué)數(shù)據(jù)。因此，現(xiàn)代熱力學(xué)軟件一般都需要以物質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐。數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)模及更新速率已成為判斷一個(gè)熱力學(xué)模擬軟件成熟與否的關(guān)鍵。從理論模型的提出，到求解方法的探索，再到數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，再到軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，這些構(gòu)成了材料熱力學(xué)計(jì)算技術(shù)發(fā)展的基本脈絡(luò)。2.1 材料熱力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)史 如果從1878年吉布斯（Gibbs）提出著名的“相律”開(kāi)始算起，材料熱力學(xué)方法已經(jīng)發(fā)展了130余年。但作為一類獨(dú)立的模擬研究工具，第一個(gè)材料熱力學(xué)計(jì)算軟件的出現(xiàn)僅有40余年的歷史。在這一發(fā)展過(guò)程中，一些著名的研究工作包括：1878年，吉布斯發(fā)表了《非均質(zhì)體系的平衡》這一經(jīng)典之作，提出了“相律”的概念及理論，成為經(jīng)典熱力學(xué)的重要里程碑，奠定了復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)體系熱力學(xué)判定的理論基礎(chǔ)［1］。1899年，Roozeboom把相律應(yīng)用到了多組元系統(tǒng)，把理解物質(zhì)內(nèi)可能存在的各種相及其平衡關(guān)系提升到了理論階段。其后，Roberts-Austen通過(guò)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了Fe-Fe3C相圖的最初的合理形式，使鋼鐵材料的研究開(kāi)始有了理論支撐。20世紀(jì)初，Tamman等通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了大量金屬系相圖，有力地推動(dòng)了合金材料的開(kāi)發(fā)，被認(rèn)為是那個(gè)時(shí)代材料研究的主流基礎(chǔ)性工作。1923年，路易斯（Lewis）和蘭德?tīng)枺≧andall）出版了《化學(xué)物質(zhì)的熱力學(xué)與自由能》一書(shū)［2］，構(gòu)筑了熱力學(xué)理論與實(shí)踐的橋梁。此后，布拉格（Bragg）和威廉斯（Williams）利用統(tǒng)計(jì)方法建立了自由能理論。這些工作使熱力學(xué)的分析研究有可能與材料結(jié)構(gòu)的有序性等微觀認(rèn)識(shí)結(jié)合起來(lái)，意義巨大。但由于計(jì)算工作量很大，直到計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后實(shí)際意義上的熱力學(xué)計(jì)算才成為可能。計(jì)算平衡組成的第一批算法由Brinkley和Kandiner在“多元體系平衡組成計(jì)算”［3］、“復(fù)雜平衡問(wèn)題的計(jì)算”［4］等文章中提出。他們的算法使用了平衡常數(shù)的概念。此后，White、Johnson和Dantzig在“復(fù)雜體系的化學(xué)平衡”［5］一文中提出了另一個(gè)基于吉布斯自由能最小化的算法。第一個(gè)實(shí)用性的、帶有物質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算機(jī)程序是20世紀(jì)60年代由美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的Zeleznik、Gordon和McBride開(kāi)發(fā)的［6，7］，采用了當(dāng)時(shí)通用的IBM704或7090計(jì)算機(jī)，此程序可用于計(jì)算化學(xué)平衡組成、火箭推進(jìn)劑比沖以及炸藥爆轟等。必須承認(rèn)，早期的熱力學(xué)模擬和計(jì)算主要是出于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的需要。如果沒(méi)有充分的理論手段研究燃燒過(guò)程中數(shù)以百計(jì)的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是難以開(kāi)發(fā)出來(lái)的。在這些工作的基礎(chǔ)上，NASA不斷地進(jìn)行開(kāi)發(fā)和完善，至今已經(jīng)形成了一個(gè)名為CEA（chemical equilibrium with applications）的大型軟件包，并在持續(xù)更新中（詳細(xì)情況參見(jiàn)http：//www.grc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/）。大約在同時(shí)，出于軍事用途，蘇聯(lián)也開(kāi)發(fā)了類似的軟件，用于研究火箭推進(jìn)劑的燃燒平衡產(chǎn)物［8］。熱力學(xué)計(jì)算的第二個(gè)階段與冶金工業(yè)的發(fā)展有關(guān)。傳統(tǒng)的冶金化學(xué)主要是研究主導(dǎo)反應(yīng)（或獨(dú)占反應(yīng)），但這一近似很不可靠，環(huán)境參數(shù)（溫度、壓力、初始組成）的變化往往會(huì)改變主導(dǎo)反應(yīng)的次序。因此，熱力學(xué)計(jì)算對(duì)冶金過(guò)程研究提供了極大的幫助。1971年Eriksson發(fā)表的“高壓力平衡的熱力學(xué)研究”［9］就是該領(lǐng)域早期的工作。1975年Eriksson發(fā)表了首個(gè)基于吉布斯自由能最小化的計(jì)算程序SOLGASMIX，在此基礎(chǔ)上逐漸開(kāi)發(fā)了用于計(jì)算復(fù)雜化學(xué)平衡的軟件ChemSage，后來(lái)又發(fā)展成功能更為全面的FactSage軟件包［10，11］。20世紀(jì)70年代由Kaufman、Hillert等倡導(dǎo)的相圖熱力學(xué)計(jì)算，使金屬、陶瓷材料多元相圖的研究走進(jìn)了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期［12］。在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)支持下相圖計(jì)算（calculation of phase diagram，CALPHAD）逐漸成熟，形成了一種相平衡研究的CALPHAD模式，其核心是理論模型與熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的完美結(jié)合，從低組元系統(tǒng)合理推算高組元系統(tǒng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。1973年成立了CALPHAD國(guó)際工作組織，專門從事基于熱力學(xué)數(shù)據(jù)的合金系及陶瓷系相圖的計(jì)算工作。在1976年CALPHAD國(guó)際會(huì)議上，Lukas展示了進(jìn)行熱力學(xué)優(yōu)化的BINGS和BINKFKT計(jì)算程序，它們能根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)廣泛同步地進(jìn)行模型系數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)和相圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的耦合。此后，一批通用的相圖計(jì)算軟件在20世紀(jì)80年代逐漸崛起，如Thermo-Calc、FACT、Luka和MTDATA等［13］。Thermo-Calc是CALPHAD模式的典型代表。1981年瑞典皇家工學(xué)院的Sundman教授等領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)了這一系統(tǒng)，還特別考慮了對(duì)非理想體系的計(jì)算方法，此系統(tǒng)借助強(qiáng)大的優(yōu)化算法，配合開(kāi)放的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和廣泛的數(shù)據(jù)支持，很快成為冶金、材料領(lǐng)域最為強(qiáng)大的熱力學(xué)計(jì)算工具軟件之一。后來(lái)在此基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了DICTRA計(jì)算軟件，將功能擴(kuò)大到擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)過(guò)程的計(jì)算。至今該系統(tǒng)仍在不斷發(fā)展之中［14］。關(guān)于材料熱力學(xué)發(fā)展歷程簡(jiǎn)單匯總?cè)鐖D2-1所示。目前熱力學(xué)計(jì)算領(lǐng)域形成了眾多的算法和軟件。這種多樣性首先是由于熱力學(xué)體系的多樣性（如燃燒過(guò)程與固態(tài)相變差異很大）導(dǎo)致熱力學(xué)模型眾多，其次是由于熱力學(xué)計(jì)算依賴于特定的材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。但在材料工程領(lǐng)域中，目前居主導(dǎo)地位的是以計(jì)算相圖（CALPHAD）方法為核心的熱力學(xué)計(jì)算工具，并形成了材料熱力學(xué)研究的CALPHAD模式或稱CALPHAD學(xué)派，流行的軟件包括Thermo-Calc/DICTRA、FactSage、Pandat、JMatPro等，我們將在下一章重點(diǎn)介紹。

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