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1、相图计算的研究进展戴占海，卢锦堂，孔纲(华南理工人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小描述有序相的模型、量子力学笫一性原理与和图计算方法的结合和热力学为动力学的结合,并简耍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-•性原理动力学模拟ProgressinStudyonCALPHADApproachDAIZhanhai,LUJintang,KONG
2、Gang(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640)AbstractAsanimportantapproachforprocessingsimulationinmaterialsdesign,metallurgyandchemicalengineering,CALPHADapproachattractsmoreandmoreattention.Thispapersummari
3、zesthepresentsituationofphasediagramcalculation.Itemphasizesorderingmodels,thecombinationoffirst-principlesandCALPHAD,thccombinationofthermodynamicsandkinetics.ItalsopredictsthefuturedirectionofCALPHAD・Keywordscalculationofphasediagram,thermodynamicmodels,f
4、irst-principles,kineticsimulation0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、氧化等领域屮进行基木材料研究的基础,其重要性已被冶金、材料、化工、地质工作者等广为认同⑴。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。实验屮经常遇到的困难冇:高温下经常出现试验样品的蒸发，以及样品与堆竭材料之间发牛化学反应;一些和图対高温下的液和线难以测准;低温下固相内的扩散速度很慢，往往测
5、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H俱增。尽管H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，更何况大屋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⑵。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鮫便捷的方法。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
6、，既具有可行性，乂具有必要性。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。木文概述了相图计算近年来的发展，重点强调了相图计算屮描述有序相的模型、量了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1.1CALPHAD的发
7、展概述早在20壯纪初，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，山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(CALculationofPHAseDiagram)o由CALPHAD方法获得的计算相图，由于热力学与相图间的高度口洽性等一系列优点，使其方法成为溶
8、液理论及相图硏究屮最活跃的领域之一。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构筑和CALPHAD方法在物理性质预测屮的应用，使CALPHAD方法成为材料设计、冶金和化工等过程模拟的重要工具,使相平衡研究真正成为材料设计的一部分卩⑷。现在CALPHAD已经成熟，并且处在一个分水岭上，可以按照常规方法进行复杂的相平
