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【原创】相图热力学介绍
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相图学是一门非常基础的学科。相图是表示在一定条件下，处于热力学平衡状态的物质系统中平衡相之间关系的图形。又称为平衡图、组成图或状态图。相图中的每一点都反映一定条件下，某一成分的材料平衡状态下由什么样的相组成，各相的成分与含量。 大家比较熟悉的相图如二元匀晶相图（如Cu-Ni）、二元简单共晶相图（如Al-Si），二元包晶相图。对于三元体系，温度-成分坐标下的相关系图为三维相图，通常，我们取其二维的等温截面图、垂直截面图进行研究与分析。三元体系中比较重要的图形还有液相面投影图。为了在二维的纸面上表示多元体系的相平衡关系，有必要了解一下所谓的希尔反应拓扑图，理论上讲，任意元的体系都适用。需要指出的是，大多数相图中，我们取体系的压力为常压，但在含有气体相的体系或者含有蒸气压比较大的相的体系中，我们需要考虑压力的影响。我们最为熟悉的水的T-P相图就是一个单元体系的相图，我们看到压力是如何影响一个相的稳定区间的。 说到相图，就不能不提到热力学性质图，如活度、形成焓、液相混合焓、自由能、热容、分压等。广义的相图实际上也包括了这些热力学性质图。通常意义上的相图为稳定相图，根据稳定相图，该体系中任一点满足自由能最小的原则。所以，通常意义下的相组成图是与这些相的热力学性质图通过吉布斯自由能这个桥梁紧密联系在一起的。有的时候，我们还可以看到一个“另类的”相图，如二元体系中，横坐标为化学势，纵坐标为温度的相图。 |
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相图热力学耦合
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对于一个体系，其相平衡关系与各相的热力学性质是紧密联系的。利用已有的相平衡数据与热力学数据，以及晶体学数据，甚至其它理论计算的结果，我们可以为各个相建立合适的热力学模型并优化获得一套描述各相自由能的参数。这就是所谓的热力学优化。 热力学优化的第一个作用，就是可以检验该体系中所有的数据，包括相平衡数字与热力学数据，是否一致，并且获得一个完整的体系的描述。通常，一个体系的测定是通过许多学者多年（有的跨度达100年）完成的，很多数据是支离破碎的，只有通过严格的相图评估与热力学优化，才能获得一个完整的体系的描述。 第二，在获得一个完整的描述之后，我们可以反过头来进行热力学计算，计算没有实验测定的相图，避免不必要的实验工作。最浅显的例子，对于一个三元体系，我们不可能测定所有的等温截面，因为那将是无数个！如果我们测定了700、800、900C的等温截面，一般我们没有必要再完整地测定750、775C的等温截面，因为那将是非常繁重的工作。更好的选择是，我们测定一些关键截面与热力学性质，然后通过热力学优化获得一套拟合这些数据、从而描述该体系的热力学参数。最后，我们就可以反过来提供任意的相平衡与热力学性质图。 第三、一般来讲，我们研究与应用的相图是稳定相图，但有时候我们也需要亚稳相图。亚稳相图的测定通常存在很大的困难，但却可以通过一套自洽的热力学参数的计算而轻易地获得。 第四，我们通常应用的材料体系基本上都是多元体系，一般含有多个元素。到目前为止，大部分的二元合金相图与部分三元相图已经存在，但四元及四元以上的相图研究极其罕见。然而，高元体系相图可以通过建立热力学数据库来进行合理的外推。目前，钢铁体系、铝合金体系、镁合金体系的商业热力学性质图都已经存在，其准确性已经得到广泛的证实。 |
2楼2009-12-10 04:05:16
相图热力学计算软件
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目前，使用最为广泛、功能最为强大的相图热力学计算软件为瑞典Thermo-Calc公司开发的Thermo-Calc。Thermo-Calc软件DOC版本的功能非常强大，然而初学者不太容易上手，它需要使用者对相图热力学有较深的理解。可以说，Thermo-Calc这款软件是最适合圈内人士使用的软件，如果你打算今后也从事相图热力学优化工作，那么，请使用这款软件吧。虽然Thermo-Calc也开发出了所谓的windows版，目的是为了只想进行一些简单计算的圈外人士，但可以说，这个windows版是一堆垃圾。Thermo-Calc公司还开发出了能够进行动力学计算的DICTRA软件，Thermo-Calc与DICTRA的强强联手，更是增强该公司的竞争力。 接下来，对广大圈外人士，即不需要进行热力学优化，只要能够进行一定计算的科研工作者，我推荐pandat。pandat是一群美籍华人开发的软件，都是Austin Y Chang的门徒吧。pandat软件的最大竞争力就是漂亮而友好的界面与强大而稳定的计算能力。然而，该软件的优化能力实在不敢恭维，这就是为什么不推荐圈内人士使用的原因。如果只是从文献中搜集热力学优化的参数，做成数据库，再进行常规的计算，该软件是不错的选择。 Facsage软件。现在的研究组拥有Thermo-calc、Pandat、Factsage，但本人一直懒得去了解Factsage。Factsage软件的数据库中有很多的熔盐体系与溶液体系，这是Factsage的优势，也是本人不太熟悉的领域。另一方面，这个软件是加拿大派开发的软件，其倾向于使用准化学模型。多年来，准化学模型一直在修改，尽管如此，其支持者还是认为，该模型具有其它模型无法比拟的优势。而其反对者则几乎是全盘否定。问题是，使用准化学模型建立的热力学数据库与其他软件与数据库不兼容。 还有很多其它的软件，但大多实在是不值得介绍。值得提一下的是Jmatpro这个软件，该软件似乎在考虑将来能够将各相的力学性质等纳入数据库与模拟计算中。但该软件一则使用者太少，二则很少有学术论文发表，不太为人知。 == 由于本人知识浅薄，存在错误在所难免，在写以上文字时，全凭自己的概念，没有仔细考证，很多评论也可能参与了个人的偏见，欢迎批评指正。 [ Last edited by phasediagram on 2009-12-10 at 04:35 ] |
3楼2009-12-10 04:34:25
★ ★ ★ ★ ★
fegg7502(金币+5,VIP+0):thank you very much! 12-14 17:33
fegg7502(金币+5,VIP+0):thank you very much! 12-14 17:33
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刚看了你的回复，差点没有回过神来，呵呵！现澄清以下事情： 1. 该同志是刘梓葵！刘梓葵先生籍贯湖南株洲，其曾经在瑞典Termo-Calc公司工作过，仿佛他当时是负责DICTRA这一块的，现为美国宾州大学的教授，CALPHAD杂志的主编。 2. 吃香不吃香，这个说法本来就有问题。一则，做科研绝对不能跟风；二则，由于Calphad杂志与学会的原因，其在相图热力学领域知名度较高。依本人之拙见，其知名度偏高，应该低点儿。 3. 第一性原理与相图计算并没有什么本质的结合，仅仅是靠第一性原理计算些形成焓等热力学性质，再加到热力学优化，以弥补实验的盲点，仅此而已。 4. 平心而论，第一性原理正在处于上升时期，此时，应该是以完善模型为主，可辅以一些典型体系的计算来进行验证其合理性，而不是跟风似地拿别人的模型，计算这个计算那个。如果做相图计算的人大量地引入第一性原理计算结果的话，就有点哗众取宠了。等过个几年第一性原理成熟了，才可以大幅地应用。 [ Last edited by phasediagram on 2009-12-12 at 16:29 ] |
9楼2009-12-12 16:25:00
10楼2009-12-13 16:21:01
39楼2012-01-17 01:10:35
★★★★★ 五星级,优秀推荐
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楼主写的很好，解决了我的很多知识结构的缺陷。 本人现在也在做冶金氧化物渣系的相图研究，有一些问题想向您请教，希望楼主不要嫌多（谢谢哈） （1）关于热力学数据的优化，这一块正如作者提到的一样时间跨度甚至达到100年，有没有好的方法对其进行整理？ （2）有没有能从相图中直接提取数据的软件，因为文献中相图的很多数据都是有用的。。 （3）HSC这个热力学计算软件怎么样，因为您在上面没有提到。 Factsage这个软件的拟化学模型对冶金渣系的适应性到底如何？ （4）测定相图的难点是什么？气氛的控制 （5）做相图的话文章可以往哪些期刊上发表，最好是SCI收录的期刊。。 （6）还有一个很现实的问题，就是做相图这一块的研究的前景何在。能到哪些地方工作？ |
40楼2012-03-14 12:58:38
相图计算板块成立了！ 44楼2012-08-07 11:04:51
4楼2009-12-10 20:23:19
6楼2009-12-12 15:38:16
7楼2009-12-12 15:39:35
8楼2009-12-12 15:42:11
nono2009
超级版主 (文学泰斗)
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