一文看懂材料热动力学计算软件Thermo-Calc

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Thermo-Calc软件是瑞典Thermo-Calc Software AB公司旗下的一款材料热动力学计算的专业软件,目前在全球被广泛应用于学术科研和工业领域。

 

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Thermo-Calc软件最早起源于70年代中期,瑞典斯德哥尔摩皇家理工学院物理冶金系Mats Hillert教授的三个研究生Bo Sundman、Bo Jansson和John Ågren,为了项目需要联合编写了一个通用的热力学计算程序。于是在1981年诞生了第一版Thermo-Calc软件。仅仅几年时间,这个软件的名声就在学术界和工业界传开了,研究人员开始对Thermo-Calc软件的使用表示出了极大的兴趣。1997年,Thermoc-Calc Software AB公司正式成立。经过四十多年来的发展,Thermoc-Calc软件经历了持续的成长,并稳步走向成熟。

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目前,Thermo-Calc软件是世界公认的最好的最全面的多元体系热力学与相图计算软件,具备通用、计算灵活的特点,被广泛应用钢铁、有色金属、核燃料、高熵合金多领域的材料成分设计优化、工艺过程的设计优化、缺陷和问题的分析等过程中,是目前国内外在材料基因工程和材料集成计算领域的重要计算软件。
Thermo-Calc软件目前主要包括三个模块:Thermo-Calc热力学计算模块、DICTRA扩散动力学计算模块和TC-PRISMA析出计算模块。其主要功能和应用见下图。

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最新版的Thermo-Calc(2023a)提供给用户两种运行模式,图形模式(Graphical Mode)和指令模式(Console Mode),图形模式为用户提供一个简易的图形操作界面,指令模式只需输入简单的命令行脚本语言即可操作,因此用户可以根据自己的需求自由选择适合自己的操作模式。

Thermo-Calc软件最新的图形操作界面如下图所示,可以看出,界面非常友好,而且操作变得越来越简洁、上手快、功能强。

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Thermo-Calc热力学计算模块

主要功能

主要功能:

单点平衡:计算固定成分,在固定温度、压力下,材料的平衡态相及相组成。

单轴平衡:随一个单变量(温度/成分)变化,材料的平衡态相及相组成的变化。

相图/二元系计算/三元系计算计算两个变量下,材料的平衡态相及相组成的变化。

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案例一:二元相图

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案例二:三元相图

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案例三:平衡相变点计算

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案例四:相随温度的变化

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新的功能:

  • Scheil凝固过程模拟:模拟多元合金的非平衡凝固和微观成分偏析;

  • 性质模块计算器:可计算液相线温度、固相线温度、相变、粗化、驱动力、珠光体片层间距、马氏体分数等,还可初步计算屈服强度

  • 钢模型包 – 等温转变TTT:可计算包含珠光体和马氏体等温转变TTT曲线

  • 冶金工程:用于计算冶金过程中多种类型的钢-渣-气体反应

  • 材料至材料:用于计算界面处的相变,观察析出相的生成

 

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案例五:利用Scheil凝固模块计算DP980钢非平衡凝固的相变过程

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  • 平衡条件下:   完全凝固温度T=1475.0℃

  • Scheil模型下:完全凝固温度T=1135.7℃

 

案例六:利用性质模块计算马氏体分数和珠光体片层间距

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案例七:利用钢模型包计算珠光体和马氏体等温转变TTT曲线

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案例八:利用冶金工程模块计算钢-渣-气反应

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案例九:利用材料至材料模块计算两种材料界面处析出相的形成

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DICTRA扩散动力学计算模块

主要功能

当在相同的相或不同的相之间存在一定的元素浓度梯度时,根据热力学基本原则,会发生合金元素的扩散、再分配以及扩散型相变等过程。DICTRA就是专门用于模拟多元合金的纯扩散以及扩散型相变过程的一款软件。它建立在对多组元扩散方程数值求解的基础上,通过结合材料热力学和动力学的理论和数据库,去求解在实际生产、热处理等过程中材料在相同的相或不同的相之间的元素扩散、再分配和扩散型相变的过程。

DICTRA是经历二十多年、前后60余人的研究成果的积累,并在开发过程中得到了各国合作研究开发伙伴的大力支持及各种建设性的意见。DICTRA的第一个商业版本于1995年推出。 此后,进行了不断的更新和功能改进。如今,DICTRA已成为材料和工艺开发设计的重要研究工具,并已被全球大量科研人员和工程师所广泛使用。

DICTRA已经被用于解决许多材料科学和工程中的应用问题,如: 

  • 钢中的凝固和微观偏析 

  • 硬质合金的烧结

  • 镍基合金中析出相的粗化 

  • 钢的渗碳和脱碳 

  • 高温合金的渗碳 

  • 钢的氮化和碳氮共渗

  • 钢中奥氏体/铁素体扩散相变

  • 涂层/基底复合物间的互扩散 

  • 合金钢中的珠光体长大 

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案例一:Fe-Cr-Ni 合金中奥氏体单相中的元素扩散

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案例二:上坡扩散
DICTRA可以准确模拟多元体系的扩散过程,如上坡扩散等。下图是用DICTRA模拟Darken实验中两块连接在一起的碳含量相同但硅含量不同的合金钢的扩散过程。左边合金钢中高的硅含量会增大碳的活度,从而促使碳由左向右扩散,从右图可以看出在硅含量梯度处出现了碳含量的跃变。

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案例三:低合金钢的表面渗碳过程

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案例四:钢中奥氏体/铁素体扩散相变

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案例五:9Ni钢QT/QLT/QPT工艺过程中元素配分

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TC-PRISMA析出计算模块

主要功能

TC-PRISMA是最新开发的一款模拟析出相形核的软件,主要用于处理等温或变温条件下多元体系析出相的并发形核、长大、溶解和粗化的过程,它是Thermo-Calc软件公司与QuesTek Innovation公司根据Langer-Schwartz 理论及Kampmann -Wagner 数值方法共同开发的。TC-PRISMA软件的发行进一步扩大了Thermo-Calc和DICTRA的使用功能。

TC-PRISMA的主要功能包括:

  • 析出相的TTT曲线

  • 析出相的CCT曲线

  • 等温/变温条件下:

—  析出相的平均半径

—  析出相体积分数

—  析出相的粒度分

—  析出相的数密度

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案例一:不同温度下Al-0.18at%Sc体系中析出相Al3Sc的平均半径随时间变化曲线

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案例二:不同温度下Al-0.18at%Sc体系中析出相Al3Sc的粒度分布曲线

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案例三:不同镍基合金中析出gamma相的数量密度随时间变化曲线

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案例四:不同镍基合金中析出gamma相的平均基体成分随时间变化曲线

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案例五:308型不锈钢中形成M23C6相的TTP曲线

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案例六:Fe-12Cr-0.2C中析出碳化物的体积分数随时间变化曲线

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热动力学数据库

主要功能

Thermo-Calc、DICTRA和TC-PRISMA软件所进行的计算均基于热动力学数据进行的。热动力学数据库是通过对实验数据进行严格的评估而创建,可以为多种不同类型的材料提供精确的热动力学计算。目前,Thermo-Calc软件的热力学数据库共有28种类(数据库进行了合并或者再开发),动力学数据库共有12种类(有些种类的数据库有多种不同版本),可满足各种材料的计算需求。

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用户

主要功能

如今,全球已经有1000多个学术研究机构和企业选购安装了Thermo-Calc软件。钢铁研究总院是Thermo-Calc软件中国区唯一代理机构。在中国,Thermo-Calc软件的用户包括清华大学、北京大学、国立台湾大学、香港大学、香港理工大学、香港城市大学、北京科技大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、中山大学、北京航空航天大学、东北大学、上海大学、厦门大学等49家高校;中国科学院金属研究所、国核科学技术研究院、上海核工程研究设计院、山东科学院、上海应用物研究所、中国计量科学研究院等16家研究机构;鞍钢、宝武、首钢、马钢、太钢、南钢、沙钢、攀钢、中核、东方汽轮机、昆明贵金属研究所等20来家企业。

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