- Метод CALPHAD
-
CALPHAD – аббревиатура от англ. CALculation of PHAse Diagrams (расчет фазовых диаграмм). Под равновесными фазовыми диаграммами обычно понимают диаграммы зависимости состава химической системы от температуры. На фазовой диаграмме отмечаются области существования соединений и растворов (т.е. фаз) и области их сосуществования. Фазовые диаграммы – очень мощный инструмент для прогнозирования состояния системы при различных условиях. Впервые они появились как графический метод обобщения экспериментальной информации о равновесии. Подход CALPHAD базируется на том факте, что фазовая диаграмма - это проявление равновесных термодинамических свойств системы, которые слагаются из свойств составляющих систему фаз. Таким образом, существует возможность расчета фазовой диаграммы путем начальной оценки термодинамических свойств всех фаз системы.
Содержание
Методика
Метод CALPHAD объединяет всю экспериментальную информацию о фазовых равновесиях в системе и всю термодинамическую информацию, полученную при проведении термохимических и теплофизических исследований. Затем набор термодинамических свойств каждой фазы описывается математической моделью, содержащей настраиваемые параметры. Параметры вычисляются оптимизацией – подгонкой модели под всю информацию, включая сосуществующие фазы. После этого возможен пересчет фазовой диаграммы и термодинамических свойств составляющих систему фаз. Концепция метода CALPHAD состоит как в получении непротиворечивого описания фазовой диаграммы, так и в достоверном предсказании множества стабильных фаз и их термодинамических свойств в тех областях фазовой диаграммы, где отсутствует экспериментальная информация, а также метастабильных состояний путем моделирования фазовых превращений.
Термодинамическое моделирование фазы
Есть два критических фактора для успешного использования метода CALPHAD. Первый фактор – это нахождение реалистичной и удобной математической модели для энергии Гиббса для каждой фазы. Энергия Гиббса используется потому, что большинство экспериментальных данных получено при определенных значениях температуры и давления. Кроме того, любая другая термодинамическая величина может быть получена исходя из энергии Гиббса . Получение полного описания энергии Гиббса многокомпонентной системы в аналитическом виде невозможно. Поэтому необходимо определить основные особенности, на которых и строить математическую модель. Расхождение между моделью и реальной системой, в конечном счете, представляется разложением в степенной ряд температуры, давления и состава фазы. Настраиваемые параметры модельного описания уточняются до воспроизведения экспериментальных данных. Мощность метода CALPHAD состоит в том, что описание подсистем, составляющих многокомпонентную систему, может быть объединено для ее полного описания.
Расчет равновесия
Вторым критическим фактором является наличие компьютерных программ для расчета равновесия и различных типов схем и баз данных с экспертной информацией. В настоящее время существует множество различных видов моделей, используемых для различных видов фаз, есть несколько термодинамических баз данных (как коммерческих, так и свободно распространяемых) различных материалов (стали, суперсплавы, полупроводниковые материалы, водные растворы, оксиды и т.д.). Есть также несколько различных видов программ использующих различные виды алгоритмов расчета равновесия. Наиболее развитые из них позволяют использовать при расчете равновесия не только температуру, давление и состав, но и множество других типов условий существования системы, так как часто равновесие может быть определено при постоянном объеме или при заданном химическом потенциале элемента или составе определенной фазы и др.
Использование
Подход CALPHAD медленно развивался с 60-х годов пока в 80-х не появились сложные системы на основе термодинамических баз данных. Сейчас имеется несколько коммерческих (FactSage, MTDATA, PANDAT, Thermo-Calc, NUCLEA/GEMINI и др.) программных продуктов. Они используются и при проведении научных исследований и на производстве. Применение этих программ позволяет существенно уменьшить временные и материальные затраты путем оптимизации экспериментальной работы в результате термодинамического прогнозирования поведения многокомпонентных систем (что было бы практически невозможно без подхода CALPHAD). Есть журнал CALPHAD, где освещаются научные достижения в области термодинамического моделирования фазовых диаграмм. Научные работы, описывающие использование метода CALPHAD публикуются и во многих других журналах.
Смотри также
Литература
- L Kaufman and H Bernstein, Computer Calculation of Phase Diagrams, Academic Press N Y (1970) ISBN 012402050X
- N Saunders and P Miodownik, Calphad, Pergamon Materials Series, Vol 1 Ed. R W Cahn (1998) ISBN 0080421296
- H L Lukas, S G Fries and B Sundman, Computational Thermodynamics, the Calphad Method, Cambridge University Press (2007) ISBN 0521868114
Внешние ссылки
Wikimedia Foundation. 2010.
