一种理论计算材料平衡相图方法的介绍

摘 要：研制一种新型的材料，了解其准确的相图和热力学信息是十分必要的，本文介绍了一种通过理论计算得到材料平衡相图的方法，即CALPHAD方法，同时介绍了一种以该方法为基础热力学计算软件系统——Thermo-Calc软件。

关键词：相图计算;CALPHAD方法;Thermo-Calc软件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.225

1 合金相图

相图是指物质体系在热力学平衡的条件下，各相之间发生相互转变关系的几何图形描述，是研究凝固过程，晶体生长和固态相变等问题的基础，被认为是材料设计和材料性能优化的地图，其重要意义得到了材料领域、冶金领域科研人员的广泛认可[1]。按照获得相图的方法可以分为实验相图、理论相图和计算相图三种。

一般情况下，获得合金相图的主要方法是通过实验方法得到实验相图，但是单纯通过实验方法获得合金相图具有局限性，比如，从经济效益角度上讲，需要消耗大量的人力、物力，从实验操作角度上讲，获得实验相图需要在高温、高压的条件下进行，实验反应需要使用腐蚀性气体，为了满足实验条件的需要还需进行容器选择，同时高温条件下测量难以控制，实验材料的成分也难以有效控制，并且通过实验方法获得全面的、完整体系相图是需要相当的试验量，几乎是无法完成的。因此，寻求获得相图的新方法是十分必要的。

计算相图就是一种获得材料相图的新途径，该方法是以材料热力学理论为基础，通过计算获得新材料物质体系中各相的热力学性质，从而获得计算相图的一种方法。

2 CALPHAD方法

早在20世纪初，科学家们就开始了通过计算方法获得相图的尝试，Van Laar是最早从事二元相图计算研究的科学家，不过在很长一段时间里，相图计算的进展一直十分缓慢，并且仅限于单个简单的体系，直到60年代末期，在热力学、统计力学、溶液理论和计算机技术等有力的工具的帮助下，计算相图才得到了很大的发展，进而成为获得材料相图资料的有效方法之一，从70年代以后，相图研究已经不再以实验测定作为主要方法，而是进入了热力学计算方法为主的新的研究阶段，即CALPHAD方法，CALPHAD为CALculation of PHAse Diagram的英文简写[2]。

CALPHAD方法是以物质体系的热力学信息为基础，运用第一性原理、统计学理论和经验半经验公式等理论建立强大的数据信息，以计算机技术为工具，建立数学计算模型、优化拟合参数，并且建立起能够达到实际应用精度要求的数据库，可用于多元材料体系真实材料的热力学信息的计算。人们可以利用CALPHAD方法获得物质体系的具有热力学自洽性的相图和描述各相热力学性质的优化參数[3]。

3 Thermo-Calc软件

Thermo-Calc软件是以CALPHAD方法为理论基础，由瑞典科学家Mats Hillter领导的研究小组开发的，具有强大的材料热力学信息数据库，数据齐全、功能众多、使用灵活，用于进行热力学计算的软件系统。该软件具有进行相平衡计算，相图计算和相变计算，评估材料热力学参数等功能。因此，科研人员可以运用该软件预测新型材料的热力学信息，计算物质体系相图，帮助解决科研工作中的实际问题，该软件在高性能新型材料的研制工作中得到广泛应用。例如，山特维克钢铁公司在开发研制新型双相钢SAF2304和SAF2507时，就是运用Thermo-Calc软件进行热力学相关计算，预测奥氏体和铁素体含量相同的材料成分，对新钢种的材料成分进行优化设计。经过大量的实验证明，Thermo-Calc软件可以对合金材料相图的热力学信息进行可靠预测[1]。

以一种新型贝氏体钢为例，材料成分见表1，采用Thermo-Calc软件计算该材料的伪二元平衡相图，结果测得，该材料液相线温度和固相线温度分别为1449 ℃和1328 ℃，A1b为729 ℃、A1f为750 ℃，Acm为768 ℃。因此，可以看到Thermo-Calc软件可以有效计算新材料相图，帮助从理论上解决材料热力学方面的实际问题，指导研制高性能新型材料的科研工作。

4 结论

（1）计算相图就是一种获得材料相图的途径，以热力学理论为基础的CALPHAD 方法是通过计算获得材料相图有效方法。

（2）Thermo-Calc软件是以CALPHAD 方法为基础的计算材料相图的热力学计算软件系统，广泛应用于在新材料研制过程中，从理论上获得材料热力学有效的信息，从而帮助解决实际问题。

参考文献：

[1]周凡.含Al/Si贝氏体钢相变热力学和相变动力学研究[D].秦皇岛：燕山大学，2011.

[2]于涛.多类型超细碳化物高碳合金钢的平衡相计算及热处理研究[D].大连：大连海事大学，2007.

[3]鲁晓刚，王卓，CUI YuWen，金展鹏.计算热力学、计算动力学与材料设计[J].科学通报，2013，58（35）：3656-3664.