《相图计算的研究进展.docVIP

相图计算的研究进展 戴占海,卢锦堂,孔　纲 (华南理工大学材料科学与工程学院,广州510640) 　　摘要　　相图计算已经成为材料设计、冶金和化工等过程模拟的重要工具,越来越受到人们的重视。概述了相图计算(CALPHAD)的发展现状,重点强调了相图计算中描述有序相的模型、量子力学第一性原理与相图计算方法的结合和热力学与动力学的结合,并简要预测了今后相图计算的发展方向。 关键词　　相图计算　热力学模型　第一性原理　动力学模拟 Progress in Study on CALPHAD Approach DAI Zhanhai,LU Jintang,KONG Gang (College of Materials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640) Abstract　　As an important approach for processing simulation in materials design,metallurgy and chemical engineering,CALPHAD approach attracts more and more attention. This paper summarizes the present situation of phase diagram calculation. It emphasizes ordering models,the combination of first-principles and CALPHAD,thecombination of thermodynamics and kinetics. It also predicts the future direction of CALPHAD. Key words　　calculation of phase diagram,thermodynamic models,first-principles,kinetic simulation 0　引言 相图被誉为材料设计的指导书、冶金工作者的地图和热力学数据的源泉,是在诸如凝固、晶体生长、焊接、固态反应、相变、氧化等领域中进行基本材料研究的基础,其重要性已被冶金、材料、化工、地质工作者等广为认同[1]。绘制相图的主要实验手段是:差热分析、化学分析、金相分析、X射线结构分析、能谱分析等。实验中经常遇到的困难有:高温下经常出现试验样品的蒸发,以及样品与坩埚材料之间发生化学反应;一些相图对高温下的液相线难以测准;低温下固相内的扩散速度很慢,往往测不到真正的平衡组成,得不出真正的固溶体平衡曲线等等。此外,由于近年来科学和工业技术的进步,新化合物和新系统不断开发出来,相图组元数目也与日俱增。尽管日趋精密的近代实验技术大大提高了相图实验测定的可靠性,但即使测定1个三元系相图的实验工作量也是相当庞大的,更何况大量具有潜在用途的三元和多元体系。因此,相图的实验测定落后于实际要求是难以避免的[2]。 然而,随着热力学理论和计算机科学的发展,用计算机来绘制相图成为一种比较便捷的方法。利用计算机计算相图和平衡数据不仅节省时间和减少实验工作量,而且可以绕过某些系统的实验困难,既具有可行性,又具有必要性。相图计算方法的精华是根据已知的热力学和相平衡数据为低组元(二元和三元)系统中各相的吉布斯能获得热力学模型参数,然后从低组元系统通过外推方法获得多组元合金相的吉布斯能。这些吉布斯能值在许多情况下能让我们计算出可靠的多组元相图。实验工作仅仅是为了验证而不是为了确定整个相图。 本文概述了相图计算近年来的发展,重点强调了相图计算中描述有序相的模型、量子力学第一性原理与相图计算方法的结合和热力学与动力学的结合,并简要预测了今后相图计算的发展方向。 1　相图计算近年来的发展 1.1　CALPHAD的发展概述 早在20世纪初,人们就已经开始用正规溶液模型计算相图。20世纪70年代以来,随着热力学、统计力学和溶液理论与计算机技术的发展,由Kaufman、Hillert和Ansara等奠基,经过两代人的努力,相图研究从以相平衡的实验测定为主进入了热化学与相图的计算机耦合研究的新阶段,并发展成为一门介于热化学、相平衡和溶液理论与计算技术之间的交叉学科分支———CALPHAD(CALculation of PHAse Diagram)。由CALPHAD方法获得的计算相图,由于热力学与相图间的高度自洽性等一系列优点,使其方法成为溶液理论及相图研究中最活跃的领域之一。CALPHAD方法的发展推动了溶液模型的研究,同时多元多相平衡计算方法、数据库和计算软件的完善以及具有实用价值的多元体系计算相图的