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1、Thermo-Calc ? User s Guide Version P Thermo-Calc Software AB Stockholm Technology Park Bj?rnn?sv?gen 21 SE-113 47 Stockholm, Sweden Copyright ? 1995-2003 Foundation of Computational Thermodynamics Stockholm, Sweden 第 1 部分一般介绍 1.1 计算热力学 在近十年内与材料科学与工程相联系的计算机计算与模拟的研究与发展已经为定量设计各种材料产 生了革命性的方法,热力学与动力学模型的广
2、泛结合使预测材料成分、各种加工后的结构和性能。 产品开发与工程控制的数学模型的重要性已经证明对热力学计算和动力学模拟的高需求,先进材料 的现代定量计算设计已从计算热力学与动力学中得到了惊人的益处。 用 Thermo-Calc 进行的热力学计算和用DICTRA 进行的动力学模拟可戏剧性地加强制造过程的设计 能力、热处理温度的选择能力、过程收益的优化能力等,这些易于理解的软件/数据库 /界面包已经在世界 范围内证明是最有力和最有柔性的排除昂贵和费时的实验、改进质量性能和控制环境影响的工程工具。 1.2 Thermo-Calc 软件/数据库 /界面包 Thermo-Calc 是所有各种热力学和相图计
3、算的通用和柔性的软件包,是建立于强大的Gibbs 能最小化 基础之上的。它是多于30 年和 100 人年的劳动以及很多各种项目的国际合作的结果。Thermo-Calc 软件 可使用多种热力学数据库,特别是热力学数据库的国际合作组织Scientific Group Thermodata Europe(SGTE) 开发的数据库。 TCC(传统的Thermo-Calc) 和其姊妹软件DICTRA (扩散控制相转变)已经在瑞典斯德哥尔摩皇家工 学院( KTH )的材料科学与工程系开发出来,Thermo-Calc 的第一个版本发布于1981 年,以后几乎每年 更新, 最新的版本P发布于 2002 年 1
4、1 月。Thermo-Calc 和 DICTRA 以及相关数据库的产权属于非赢利组 织斯德哥尔摩的计算热力学基金会(STT) ,从1997 年起,市场化、销售、技术支持以和所有其它有关 Thermo-Calc 与 DICTRA 软件包的活动都有STT 拥有的 Thermo-Calc Software AB (TCSAB )公司管理。 Thermo-Calc 已获得世界性的计算多元相图最好软件的荣誉,今天遍及世界得多与600 家安装了该软 件,包括科技的和非科技的研究院所,在技术文献上是一个很好的参考。它是仅有的计算在一个非常复 杂的多元不均匀系中有多于5 个独立变量的任意相图断面的软件,也有计
5、算很多其它类型图的工具,如 CVD 沉积、 Scheil-Gulliver 凝固模拟、 Pourbaix 图、气体分压等。在Thermo-Calc 例子中给出了很多应用 实例,这些实例也可从TCSAB 的 web 地址中找到。 任何现代PC 机和 UNIX 工作站都可用于运行Thermo-Calc 软件 /数据库 /界面包, 然而, 从 TCCP 起, 将不能在SUN Spare, HP, IBM, AIX和 DEC Alpha OSF1 上运行。 若无精确的和有效的数据库,热力学软件包是无用的。Thermo-Calc 允许体系中各相采用不同模型来 使用不同来源的数据库,如来自SGTE、 CA
6、MPADA 、 TremoTech、 MIT 、 UES Software、 Theoretical Geochemistry Group 等。这样的数据库覆盖了包括钢、合金、陶瓷、熔体、熔渣、玻璃、硬材料、半导体、 超导体、焊料、气体/流体、水溶液、有机物、聚合物、核材料、土壤材料以及地球化学于环境体系等大 量材料,用于研究和开发工业工程和自然体系。 KTH 的 Thermo-Calc 小组已经开始并参与很多国际项目,以便创建通用而有效的数据库。Thermo-Calc Software AB 现在正积极的地致力于开发面各种工业意义的数据库,世界上也有很多科研机构核工业公司 的用户在建立自己的
7、数据库和在Thermo-Calc 软件包的辅助下的数据库。 Thermo-Calc 也提供给用户一个独特的工具(PARROT 模块)来进行实验数据如态密度EOS、 相平衡、 相图等基础上的严格估价,由这些模块用户可有效地扩展某些数据库或可靠地创建各种数据库或某些特 定材料和用途的数据库。 在各种所有传统版本中,Thermo-Calc具有交互用户界面、扩展文件和在线帮助工具,Thermo-Calc 软件包的通用的图形用户界面(GUI-driven )版本 TCW 已经发行,允许各类Thermo-Calc 计算在微软视 窗下操作,这个通用的图形用户界面版本不久将开发适于在UNIX 和 Linus
8、环境运行 Thermo-Calc 也有为面向应用编程的两个第三参与者编程界面TQ 和 TCAPI ,这两者是为在各种材料 性质模型和复杂材料过程模拟中应用而设计的。有 Thermo-Calc 引肇驱动, 这样的界面提供复杂性质模型 化和过程模拟中其它面向应用程序或软件包需要的热力学量和局域平衡与驱动力的各种类型计算,最成 功的例子是易于理解的DICTRA 软件包。 同时进行计算与实验同纯粹实验试错方法相比,可使材料与工艺开发获得了更快更可靠的进步,通 过 Thermo-Calc 软件、数据库和界面的具有意义的开发,热力学计算方法的全部潜力正在被更好地利用, 软件包以发展到这样的程度,即在冶金、
9、和仅开发、材料科学、半/超导体、化学、化工、地球化学、能 量转换、粉末生产、食品工业、核燃料废物仓储,环境控制等领域进行实际计算。 Thermo-Calc 主要目的之一是用于计划和减少新的高成本实验的需要。通过计算可以预测实验结果, 这可限制最终必须作的实验的树木。甚至可以发现单独的计算结果就是足够可靠的,足以直接应用。 不论现在还是将来,TCSAB 、STT 和 KTH-MSE都在更加致力于开发Thermo-Calc 软件和它的姊妹 软件DICTRA ,以及为各种材料与工艺的各种数据库和界面程序。与很多国际上的研发参与者以及世界 各地 Thermo-Calc 和 DICTRA 用户的连续而紧
10、密的合作确保了这种开发的成功。 1.3 致谢 1.4 版本历史 1.5 Thermo-Calc 软件包的通用结构 Thermo-Calc 软件由七个基本模块组成,TDB 负责数据库修补和管理,GES 负责热力学模型处理和 各种相的数据处理,TAB负责相和反应的热力学性质制表,POLY 负责多元异质平衡计算和步进/图形 ( stepping/mapping)计算, POST 负责各种相图和性质图的后处理,PARROT 负责参数优化,ED_EXP 负责实验点编辑和平衡计算。这些所有模块通常都是进行热力学计算或模拟所必需的。进一步讲,这些 模块内部相互连接,但各自具有自己的工作空间(如SYS、GES
11、、POLY 和 PARROT) 。POST 模块通常 被称为 POLY 模块的子模块,同时处在PARROT 与 ED_EXP 之间。也有一个连接TAB 和 POST 模块的 桥。 软件包中也有一些为特定计算和模拟设计的特定的模块或称易于使用模块,如二元相图的BIN ,三 元相图的TERN ,势图的 POT,Pourbaix 图的 POURBAIX ,Scheil-Gulliver凝固模拟的SCHEIL 以及稳定 态反应模拟的REACTOP 。这些模块以特定方式设计,用户不需要与基本模块直接接触,而是仅回答一些 需要回答的问题。软件/数据库系统自动进行计算和模拟,然后以搞职业标准给出图形形式结果
12、。最近将 把更多的这样具有特定用途的模块加到Termoc-Calc 软件包中。 Termo_Calc 软件总是以SYS 模块开始,该模块为每台计算机及其环境设置所设计(即与各种操作系 统交互)。该模块通常也作为一种可访问所有基本和特定的模块的通信中枢。 除了这些基本的和特定的模块之外,两个应用编程界面TQ 和 TCAPI 与 Thermo-Calc 软件 /数据库系 统随意地内部连接。这些界面是为要自己编程进行其他类型材料性质计算与材料工艺模拟的用户而设计, 强大的 Thermo-Calc 引肇提供准确、 可靠和快速热力选计算,其界面也服务于其他软件包中与Thermo-Calc 软件 /数据库
13、相关的工具箱(如 MATLAB 软件包中TC-工具箱) 以便将热力学计算与模拟用于很多不同领 域。通过各种编程界面利用Thermo-Calc 引肇可建立自己的程序。 图 1-2 Thermo-Calc 相关的软件、 数据库和界面 图 1-3 Thermo-Calc 软件包的一般结构 图 1-4 使用 Thermo-Calc 引肇可建立自己的程序 通过这些基本和特定模块,所有用户都可经常使用热力学计算与模拟以及进行自己的估价工作,也 大力鼓励用户在各种研发活动中使用应用程序界面。 1.6 各类硬件上 Thermo-Calc 软件包的有效性 1.7 使用 Thermo-Calc 软件包的好处 Th
14、ermo-Calc 是计算热力学领域中最强大和最柔性的软件包之一,已广泛用于所有各种复杂异质想平 衡和多元相图的热力学计算。大多数平台可以使用,所以 Thermo-Calc 软件提供以基本热力学必需品,如 多元系平衡计算、相与性质图、热力学因素(驱动力)。 Thermo-Calc 由平衡计算、相与性质图计算、热力学量制表、数据库管理、模型参数估价、试验数据 处理和专业图形表达的后处理等几个基本和特定模块。 Thermo-Calc 能够通过在各种试验信息基础上严格估价来有效地建立自己可靠数据库。 Thermo-Calc 提出了具有最快和最稳定数学和热力学解的标准热力学计算引肇,要求精确计算热力学
15、 量的任何其它软件(用户编写应用程序或第三方的软件包)可便利地和有效地插入Thermo-Calc 引肇。目 前有两个有力的应用编程界面(即TQ 和 TCAPI )和 MATLAB 软件(即 TC-MATLAB界面)中一个全面 的热力学计算工具箱。 Thermo-Calc 的优点是其多重用途,同一公司、研究所或大学的几个部门可将软件包用于不同目的, 已通过包括通信、航空、运输和制造业的应用实例证明。使用Thermo- Calc 提供的工具,可优化材料工 艺来以更低成本产生更高产出,更好产品。 第 2 部分如何成为 Thermo-Calc 专家 TCSAB 与其伴随产品极大感激使用和改进Therm
16、o-Calc 和 DICTRA软件系列的各种软件/数据库 /界 面产品的信息。这样的信息包括连续评说、出版物、报告、意见和改进建议。所有合适的信息鼓励新的 和改进的特性用于将来的软件/数据库 /界面产品和服务。 此外,提供的技术支持和咨询服务来帮助用户成为Thermo-Calc 和 DICTRA 专家。 本部分提供一些有效使用Thermo-Calc 的提示,包括: 如何容易地使用Thermo-Calc 用户指南; 如何适当地安装和维护Thermo-Calc 软件 /数据库 /界面软件包; 在研发活动中如何使用Thermo-Calc 软件 /数据库 /界面软件包; 如何迅速从TCSAB 与其伴随
17、产品中获得各种支持和咨询服务; 如何建设性地帮助TCSAB 进一步改进各种软件/数据库 /界面产品。 2.1 如何容易地使用本用户指南 本用户指南是Thermo-Calc 手册的第一部分,应于第二部分(Thermo-Calc 实例)一起使用。当前的 手册版本主要基于2002 年 11 月发行的版本P。 本手册具有部分-节-亚节结构,整个文件有18 个独立的部分,其中,前4 部分给出Thermo-Calc 软 件 /数据库 /界面的总体介绍和可能使用的数据库的详细描述。接下来的11 部分主要给出各种Thermo-Calc 模块和工具,最后3 部分提供一些主要参考、有用的附录和有帮助的索引。模型/
18、数据处理、计算/模拟或 结果展示的每个特定模块从为方便用户的所有执行命令栏开始。 不熟悉 Thermo-Calc 的人应从第2 和第 3 部分开始。已经具有一些经验的人可从特定模块(如5-15 部分)开始。也推荐回顾第1-4 部分找到更新信息。 第 1 部分给出Thermo-Calc 软件 /数据库 /界面软件包的总体介绍,包括开发历史、 总体结构和可用性, 也给出软件包的实例,产生满足用户需求的建议和给出从研发活动中获益的思路。 第 2 部分给出一般意义上的提示,包括如何使用软件包,如何称为Thermo-Calc 专家来从软件包的使 用中完全获益,以及如何与TCSAB 及其伙伴联系。 第 3
19、 部分展示整个Thermo-Calc 软件 /数据库 /界面软件包的总体看法。类似于全面的参考手册,在基 本概念、进一步发展策略、可能的功能和可能的应用等方面更详细。这部分的评述有助于用户获得软件 包的全貌。当用用户寻找特定模型的一些通常术语的描述,数据库或模块交互作用时这部分特别有用, 同时用户阅读本手册其它部分时这部分可用于交叉参考。 第 4 部分给出与Thermo-Calc 软件( TCC 和 TCW )和各种应用编程界面一起使用的数据库的描述。 这也有助于确定对研发项目以及设计开发自己数据库,进一步访问其它数据库是否必要。 第 5 部分到第15 部分广泛记录所有各种Thermo-Cal
20、c 模块和相关工具。可选择需要的适当部分。这 些部分按用途来安排。普通计算通常访问的部分先出现,要理解的模块在其后。详细解释了Thermo-Calc Classic 软件包每个模块中的所有可用到的命令。类似于所有各部分,首先编排重要的、频繁使用的命令, 接着保留下来。 第 5 部分描述如何使用数据库模块(TDB) 的方针。第 6 部分指向数据库管理或要创建用户指定数据库、 数据序列或数据文档的有经验拥护。本部分包括一些如何组织数据库的例子。此外,简要提及TDB 模块 的 DICTRA 扩展。 第 7 部分通过使用指标模块显示如何对各种物质或化学反应的所有各种热力学性质制表,并以图形 形式提供结
21、果。 第 8 部分描述最重要的模块平衡计算模块(POLY) ,在制定指定选项的在一维(STEP)或二维 ( MAP ) 空间的单个点上进行的多元不均匀平衡的复杂热力学计算。在此特殊部分, 在进入所有各种POLY 模块之前将先给出,在Thermo-Calc 平衡计算和模拟中如何定义各种热力学体系或问题的一些进一步信 息。特定的例子显示如何进行具有一些很困难的相或现象(如有序/无序和水溶液)的各种计算。这部分 也给出纷争解决的一些有用的提示,并提供对一些关于平衡与相计算的频繁问题的解答。 第 9 部分在 POLY 模块后介绍后处理模块(POST)按高专业的图形标准来方便显示成功计算,这部 分解释了
22、依据实验结果绘制相图和多个其它性质图是多么容易和有效。也解释了使用由网络浏览器可以 得到的多个插件程序产生vrml (虚拟事实模型语言)程序文件和产生的3D 图形的程序。 第 10 部分(一些特殊模块)介绍了计算和绘图的一些方便易懂的方法。这些模块简单化某些类型的 计算和相图、性质图的图形表达。利用这样的易于使用模块,用户仅需要回答自动计算和绘图程序的一 些简单问题。这些程序有:二元相图计算的BIN 模块、三元相图计算的TERN 模块、势图计算的POT 模 块、 凝固模拟的SCHEIL 模块、Pourbaix 图和性质图计算的POURBAIX模块和稳态反应计算的REACTOR 模块。这些特殊模
23、块在Thermo-Calc 软件包的一些最近版本中可以得到并在将来将建立更多。 第 11 部分( Gibbs 能模块 GES)提供对所有已经实现的热力学模型进一步全面描述。广阔的物理化 学条件下各种相的可靠的热力学模型的执行到Thermo-Calc 软件 /数据库 /界面软件包中,是达到对实际的 复杂体系或问题成功计算或模拟的基本步骤。进一步地, 这部分显示, 在 Thermo-Calc 软件核心如何按照 数据结构、热力学量计算和模块用户界面构建这些模型。存储在GES 中的信息为相结构、热力学性质、 定义的符号、模型选择等。有对所有各种命令的广泛描述来于模型交互作用和访问数据。 第 12 部分
24、介绍优化模块(PARROT)来显示其强大的评价特性,和给出一些有帮助的提示。用使用 各种模块进行数据处理、平衡与相图计算和图形展示的丰富经验,这个模块引导数据评价以便改进可以 得到的数据库或定制的数据列或数据文件。本手册首先显示如何准备实验数据文件、如何创建图形实验 文件( EXP) 、如何产生系统设置文件(SETUP)和如何保存与交互访问优化文件(PARROT) 。接下来, 实例显示利用命令、特定模式和处理优化的各种程序。在接下来的部分(第13 部分)详细介绍和描述了 作为 PARROT 命令的 ED-EXP 模块。模块与模块(如GES、TAB、POLY 和 POET)之间连接、 DICTR
25、A 软件中的可用性、TQ 和 TCAPI 应用编程界面、 TCW 图形用户界面和TC-MA TLAB 界面的简要描述也是 必要的。 第 13 部分为编辑 -实验模块( ED-EXP ) ,显示如何以适当的方式根据组织数据栈、设定相对分数, 包含和不包含数据点、设定交替条件等编辑实验数据点以便进行良好优化。这个模块主要与PARROT 和 POLY 模块连接,包括一些同样的基本命令(要必要的话,参阅第8 和 12 部分) 。 第 14 部分(系统实用模块SYS)解决为出错信息输出和对环境单元绘图配置O/S(操作系统)相关 参数的问题。此外,全面解释了如何创建、修改和维护宏(MACRO )文件。也解
26、释了一些独特的额外工 具如修补 /迹线 /停止系统调试和HP-计算器等。 第 15 部分给出了Thermo-Calc 如何使用一种特殊的数据处理语言工具在POST 模块中表达图形,也 就是 DATAPLOT 图形语言。 POST 模块使用该语言于各种计算/模拟模块进行通讯。这部分详述了如何安 排所有各种图形设置和如何处理各种类型计算和模拟结果。当执行一系列DATAPLOT表达式时可获得 Thermo-Calc 图的高专业性图形表达。也给出了DATAPLOT 文件和该语言应用的一些实例 第 16 部分给出了一些位于局域库中的软件、数据库、界面和应用程序的主要的参考。此外,用户也 可提供相关的自己
27、成功出版和手稿到Thermo-Calc 将来版本的各式各样的应用程序。若用户捐献他们研究 论文和技术报告给Thermo-Calc Software AB ,不久将来Thermo-Calc 参考书也可提供给本手册。 第 17 部分介绍 9 个附录来给出有帮助的提示和得到一些有价值的反馈,包括在不同计算机平台上安 装 Thermo-Calc Classic 软件包的指导、 各种 Thermo-Calc 文件类型及其关系的评述和Thermo-Calc Classic 快速参考卡。此外,为请求TCSAB 软件 /数据库 /界面的进一步信息、请求TCSAB 咨询任务、报告程序 缺陷 /问题、提供用户建议
28、和请求Thermo-Calc 课程提供一些表格。这部分也提供在各种工作环境下如何 高质量、 专业地表达Thermo-Calc 图的一些建议。 即使用户可由自己的图形设置偏爱,这些提示可建议更 好的解决办法。 第 18部分将 Thermo-Calc 用户指南中所有重要术语和各种模型和场所的所有可用的名令编入索引中, 也将图形和表的清单编入索引的最后。 最后,请注意,以前可以得到的但是不常用的或有用的特征或命令中的一些可能没有,因此,不再 包括本版本手册中。此外,已经执行但不还没有广泛测试或全面测试的一些模型和数据库,本手册可能 描述了。这些额外的特性2002 年 11 月发布的版本中可能不全能够
29、得到,例如,聚合物的Flory-Huggin 模型可以得到,但软件包中没有提供数据库,在这种情况下,请耐心等待当前版本的后续补丁(持有对 当前版本有效和适当的许可的人在TCSAB 的网址上下载, 执行将是可行的)或等待下亿个版本的预先发 行(对特殊请求) 。 2.2 如何安装和维护Thermo-Calc 软件包 2.2.1 许可要求 2.2.2 安装程序 2.2.3 维护当前和以前版本 2.2.4 使 TCC 执行更方便 2.3 如何成为 Thermo-Calc 专家 Thermo-Calc 和 DICTRA 软件 /数据库 /界面包的所有用户是并将总是Thermo-Calc Software
30、 AB 的支持 者。 他们使用职业产品作为研发活动中有效而可靠工具,并作为教学实践中先进而艺术的教育必需 品。 他们通过提出有价值的建议、报告缺陷和问题、参与项目开发、引导TACB 本身与客户的咨询、 对新的和预期的客户安排局部训练程序、提供期刊发表物和其它参考、参加讨论会与用户会议等 等对开发产品和履行服务成为重要的贡献者。 他们作为大学、 政府机构、 个人研发和咨询部门中专业产品有价值的促进者,帮助建立高级人员、 问题解决者、顾问和客户之间个人和专业网络。 他们常常在各种科技协会与工业团体起领导作用,并作为计算热力学与动力学的领先者和专家 (计算热力学与动力学用于材料设计与工程、材料制造与
31、应用、自动化和宇航工业、电信、能 量生产与利用、重型/ 精确器械与轻装备、化工、矿业、环境保护、核燃料核废料管理、食品管 理等) 非常鼓励并将尽最大努力帮助所有用户成为在研发和教学中使用这些软件包的专家,建议如下。 2.3.1 从 TCSAB 与其世界各地的代理获得迅速技术支持 2.3.2 日常使用各种Thermo-Calc 功能 一个 Thermo-Calc 新用户可开始于特定的模块(BIN 、TERN 、POT、POURBAIX和 SCHEIL )来进 行相图和性质图的计算。存储在安装区域并在宏文件Thermo-Calc 实例中给出的 (*.TCM )中的标准例子 给出了各种基本模块(SY
32、S、TDB 、GES、POLY、POST、PARROT、 ED-EXP )和特定模块的所有各种 用法说明,用户可将这样示范性的宏文件拷贝导所希望的目录下,以便为用户指定的应用程序作适当的 修改(对温度、压力、成分和其它条件)后指导其它期望的计算。 进行日常研发和教学活动的同时,可经常将Thermo-Calc 和 DICTRA 软件 /数据库软件包用作可靠的 有效的工具进行各种热力学计算和动力学模拟。软件包强大的功能将提供最快速和最精确的热力学平衡 和动力学路径的描述,并帮助你理解各式各样的材料体系和材料工艺中出现的复杂问题和现象。 获得足够的使用计算和模拟模块的经验后,可进入对感兴趣的体系进行
33、严格评价的阶段。利用自己 的实验结果和所访问的特定材料体系于材料工艺的文献信息,可最优化修改一些已存在的数据,并可容 易地建立自己的数据库/数据序列 /数据文件。 若有兴趣在Thermo-Calc 引肇(通过 TQ/TCAPI 应用程序编程界面)插入自己的研发工具感,可编写 材料性质计算和材料工艺模拟的程序,可仿照TQ/TCAPI编程指导与例子中的简单例子来进行。对材料 性质计算、材料工艺模拟和材料工程控制,也可使用MATLAB ? 软件包中TC 工具箱。 2.3.3 以专业的和高质量的标准提交结果 具有一些使用Thermo-Calc 和 DICTRA软件包的经验,不久可建立自己喜欢的常规和方
34、式将计算与 模拟结果包含在各种科技出版物、技术报告和会议演讲中。 附录 D(Thermo-Calc 结果的专业性表达)概述对如何以专业的和高质量的标准作为表格和图形形式 提交计算和模拟结果(来自使用Thermo-Calc 和 DICTRA软件包)的一些建议。在文字文件化、数据处 理和图形处理的现代先进软件的帮助下,依据个人喜爱,可容易地且有效地编辑所得计算/模拟表(来自 TAB 模块)和图(来自POST 模块) 。 2.3.4 通过各种渠道相互交换经验 Thermo-Calc 软件 AB 高度重视你在各种研发和教学活动中应用Thermo-Calc 和 DICTRA 软件 /数据库 /界面软件包
35、的知识、专门技术和建议,并将极大感激了解你的成功存储和独特的例子。多个良好通道与 TCSAB 、我们的代理、开发/顾问伙伴以及世界各地用户广泛交流使用的经验。 第 3 部分Thermo-Calc 软件系统 3.1 Thermo-Calc 软件系统的目标 Thermo-Calc 是一个进行所有各种热力学计算通用而柔性系统,与各种数据库和界面相连接,代表 Thermo-Calc 软件 /数据库 /界面软件包或Thermo-Calc 数据栈。Thermo- Calc 软件包最重要的目标是进行用 于科学和工业的有效而快速的热力学计算。 由软件系统可提供的体系平衡态的信息对求解很多真实问题来说是基本的,
36、这些问题覆盖了从化学、 冶金、汽车、宇航和电子工业的材料设计与工艺开发,到自然与环境工程中的资源开发、能量转换和废 料管理。热力学数据栈的一个重要特点是它也提供一种与试验工作相比容易的方法研究平衡如何被外部 因素作用。此外,计算机化的热力学数据栈同手册相比在提供给用户以自适应的、可靠的和最新的数据 方面有一个最大优点。 一个普通的热力学数据栈必须由传统上认为十分例的大量领域中的数据,这些领域包括冶金、溶体 化学、合金、高温气相平衡和地理。在大多数应用中,组元数如此之大以至于平衡只能用计算机软件计 算。 Thermo-Calc 数据栈系统试图提供一个易于学习和用于所有热力学计算的单个软件系统。
37、连同 Thermo-Calc 软件系统一起, 使用某些热力学模型的巾帼各种严格评价的热力学数据库经常用于 多个用途,如将SGTE SSUB/SSOL 数据库用于无机和冶金体系的物质和溶体,将TCFE/FEDATA/TCNI 数据库用于钢和合金将TCAQ/AQS数据库用于水溶液等。SGTE 数据库是一个通用热力学数据库,它描 述从 298.15K 到只有气体稳定的温度范围内各种成分的物质和相的热力学性质。本指南的以后三部分 (第 3、4 和 5 部分),将对各种可用的数据库给出更详细的描述,并说明如何使用和管理Thermo-Calc 软件包 中的数据库。 拥有 Thermo-Calc 软件包,
38、用户可简单地对物质或反应的热力学数据制表,或计算复杂的化学、冶金 和其它体系中的平衡。使用Thermo-Calc 也能由自动图形程序计算和预测多元相图。 Thermo-Calc 主要目的之一是,用作计划和减少新的高成本的实验的需求。通过计算,可能预测限数 进行的实验的结果,甚至可找到这样的计算,其结果可靠到足以直接使用。 Thermo-Calc 的使命是扩展为科学家和工程师在实验室或工厂中日常工作的强大的研究开发工具。 3.2 一些热力学术语的介绍 本节给出Thermo-Calc 软件 /数据库 /节面包中使用的一些热力学术语的基本介绍和总揽。下面给出理 解 Thermo-Calc 如何处理现
39、实与热力学的起始点。 3.2.1 热力学 Thermo-Calc用户由不同的知识背景,热力学一词可能对他们不具有不相同的含义。为了理解 Thermo-Calc 软件中使用的一些术语,这些术语将用传统热力学中的一般概念来解释。也将讨论这些描述 如何扩展到传统热力学以外的情况。 值得记住的是,热力学是从两个很简单的观测衍生出来表象理论,这两个观测是热和功都仅是能的 两种不同形式和热流从热物体到冷物体。这些观测是热力学第一和第二定律的简化形式,但是当然必须 重新定义以便具有实际用途。 下面必须介绍描述物质的物理化学性质的一些概念,以便使热力学可用于实践。在第 11 部分(Gibbs 能体系模块GES
40、)和第 8 部分(平衡计算模块POLY) ,将给出 Thermo- Calc 软件如何利用这样的热力学 术语的更多细节。 3.2.2 体系、组元、相、组成、物种(System, component, phases, constituents and species) 热力学中,总是有一个与环境交换物质、热和功的封闭的或开放的体系 ,热力学体系由组元和相组 成表现为均匀的(均质的)或不均匀的(异质的)状态。 组分 是体系广义的实体,有时所称的组分是强调这样的事实,一个组分由一个具有某些特征化热力 学性质的唯一名称,这些热力学性质为量、活度或化学势。平衡时,整个体系中组分的活度和化学势为 常数。
41、在一个体系中,物质将总是出现在一个或多个稳定或介稳定相中(体系均质部分) ,在一定体积中, 同种相经常出现在很多分开的地方,如空气中粉尘颗粒。均质 意味着体系在成分、温度和压力方面是均 匀的,并且各处具有相同结构。相比之下,异质 体系至少有两相组成。 一相由其各组元的成分、焓、体积和其它性质来量化。相具有可能不同于组元的组成 ,组成具有可 用组元和可能电荷表示的化学计量比,例如,凝聚相可能有一个象亚点阵或团簇(模型化为组成)一样 的内部结构。 组成可以是元素Fe, Si,C,O或分子状的聚簇,聚簇可能是中性的Fe3C,FeSi, Fe0.87O,SiO2, H2O, CH3COOH 和带电的
42、Fe +2,Fe+3,HO-1,Fe(OH) 2 +4。所有这样的组成称作组元( species) 。一种组 元可以是一相或几相的组元,同时在一相中的出现可以是真的或想象的(来自模型的假设)。 为了近似表达一相中一个带电物质的化学计量比,将电子用作一特定组元,记为/-或 ZE,通常为相 组成的一部分。 Thermo-Calc 软件包将气体、 液体和固相中的带电组成记为/-, 将水溶液带电组成记为ZE, 。 与这种特定指派相对应,带负电荷组元的化学计量比可表示为H1O2/- 或 H1O2ZE+1 ,带正电荷组元为 FE1/+2 或 FE1ZE-2。模型中使用的其它特定组元是空位,总是记为VA。空
43、位用作有空的位置的亚点阵的 组成,空位的化学势总是设定为零。 空位和电子(气体、液体和固相中为/-,溶液中为ZE)也作为数据库中特定元素的定义,在含水异 质反应体系情况下,ZE(不是 /-也不是 VA)也被看作Thermo-Calc 软件中体系组元。 因此,一个体系组元通常是所定义体系(特别是合金)中的一元素,也可以是所定义体系中的一个 存在组元(如Cr-Fe-O 系中的 Cr2O3 和 FeO,水溶液相中的HO2-1 和 FE+2) ,甚至所定义元素的适当的 组合 (如 Cr-Fe-C 系中的 CrC 和 FeC) 也可定义为组元, 电子作为元素组合组元 (如气体混合相中的H1O2/-1 和
44、 Fe1/+2,或者水溶液相中的H1O2ZE+1 和 FE1ZE-2)中的化学式的一部分,但是这样组元的参考态必 须总是为SER(标准参考态) 并不是不均匀(异质)反应体系中没有将ZE 考虑为特定元素,则组元数等于体系中的元素数,而对 于含水异质反应系,ZE 被认为是一个附加的体系组元,因此组元数等于体系中元素数加1。 3.2.3 结构、亚点阵和位置 以上提到的相具有一定的结构,结构是广义的,因此甚至气体和液体也考虑具有结构。一种结构通 常可用一个和几个亚点阵或位置来描述,以某种方式构筑相。相结构的重要性是给出了如何从其它物理 性质来对热力学性质模型化的思想。 为解释这一点,可考虑热力学性质不
45、简单依赖于相中组元数量的某一相。在多数情况下,相中都有 内部自由度,例如气体中分子的形成或固体中亚点阵上的有序,在此情况下,按照相中或亚点阵中的组 成而不是组元,来简化成分与相性质关系模型。相中组成的数可大于或小于实际组元数。 3.2.4 成分、 构成、位置分数、 摩尔分数和浓度(composition, constitution, site fractions, mole fractions and concentration) 体系的成分定义为整个体系中每种元素或组元的数量,而相的构成定义为各相中特定亚点阵上每种 组成或组元的数量。体系的成分和相的组成都可以多种不同方法描述,表示成分或组成
46、的变量的选择依 据相的类型可以不同,然而,使用转换因素总是有共同的方法来表示不同类型成分或组成。 相的组成由相中或其亚点阵中组成的分数给出。Thermo-Calc 软件包中, 为区别于 摩尔分数(记为 X) , 总是以由多于一个亚点阵组成的相的组元位置分数(记为 y) 表示,并区别于整个体系中总体摩尔分数(也 记为 X) 。位置分数定义为亚点阵中的位置被一定要素占据的分数,若一相具有几个亚点阵,则组成由每 个亚点阵上每种要素的位置分数给定,若一相没有亚点阵,则位置分数与摩尔分数相同。每种元素、组 元或组元的摩尔数或克质量通常表示这样的分数。 然而,一个水溶液体系需要广义的项目来描述其成分或组成
47、,是由于传统的处理方法特别是用于水 合化学。引入浓度 概念是为了描述在一定温度与压力下溶剂的溶解能力或水中溶质组元的溶解行为。 Thermo-Calc 软件包将单一亚点阵假设用于水溶液,因此,位置分数等同于含水相中组元的摩尔分数,此 外,一个组元的浓度也可表示为重量摩尔浓度(molality) (m,溶解在 1kg 溶剂水中溶质的摩尔数)和摩尔 浓度( molarity ) (M ,溶解在 1dm3水溶液中的溶剂摩尔数)。 3.2.5 平衡态和状态变量 热力学仅处理处于平衡的体系,即在大量变量(如温度和成分)中处于相对于内部起伏为稳定的状 态。在平衡态已经定义值或性质的那些变量称为状态变量,状
48、态变量的其它例子是压力(P) 和化学势 ( ) 。 热力学提供可计算平衡时其它变量值的这些状态变量的大量关系。 状态变量有两种类型,容量变量和强度变量。容量变量的值如体积依赖于体系的尺寸,而强度变量 的值如温度独立于体系的尺寸。每种类型的状态变量有其它类型的补充变量,补充体积的变量是压力, 而补充组元成分的变量是其化学势。 值得提到的是,组元的活度总能从使用简单数学关系中获得,也可能为活度或化学势选择方便的参 考态。计算机上带有热力学数据栈的优点之一是,在大多数情况下,这样参考态变化可在没有打扰用户 情况下内部处理。 若与环境交换的功限于压力体积功,体系平衡态可由准确地指定N+2 个状态变量的
49、值来获得,其中 N 时体系组元数。 注意, Thermo-Calc软件中区分体系的组元和体系中相的要素(即组元),很多状态变量要求其中的 一个或另一个。缺省时,元素定义为体系的组元,但这个定义可用POLY 命令DEFINE_COMPONENT 来改变。例如,若元素是Ca、Si 和 O,另一套组元可定义为CaO、SiO2和 O2。在纯水系,组元通常定 义为 H2O 和 H+。然而,当使用这个命令时不改变组元数。 状态变量是为整个体系或体系中一个组元或特定置换相的一个组元或特定相中的一个要素(即特定 亚点阵位置上的组元)定义的一个热力学量。 适于 Thermo-Calc 软件的基本强度变量和容积变量在表3-1 中列出并简要描述,也将在以后的部分处 理。 表 3-1 可用于 Thermo-Calc 软件的状态变量 名称TC 中名称TC 中单位含义备注(适用范围) 强度变量 T T K, C, F 温度整个体系 P P Pa, bar, psi 压力整个体系 MU(COMP) J/mol, cal/mol 化学势一体系组元 MU(sp, ph) 溶体相中一组元 a AC(COMP) 无量纲 活度体系组元 AC(sp, ph) 溶体相组元 LNAC(COMP) 活度对数自然对数的体系组元(lnAC=MU/RT ) LNAC(sp, ph) 自然对数的溶体相中的组元(lnAC
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