KALFAD
CALPHAD står för CALculation of PHAse Diagrams , en metod som introducerades 1970 av Larry Kaufman. Ett jämviktsfasdiagram är vanligtvis ett diagram med axlar för temperatur och sammansättning av ett kemiskt system. Den visar de regioner där ämnen eller lösningar (dvs. faser) är stabila och regioner där två eller flera av dem samexisterar. Fasdiagram är ett mycket kraftfullt verktyg för att förutsäga tillståndet i ett system under olika förhållanden och var från början en grafisk metod för att rationalisera experimentell information om jämviktstillstånd. I komplexa system används beräkningsmetoder som CALPHAD för att modellera termodynamiska egenskaper för varje fas och simulera multikomponentfasbeteende. CALPHAD-ansatsen bygger på det faktum att ett fasdiagram är en manifestation av termodynamiska jämviktsegenskaper , som är summan av egenskaperna för de enskilda faserna. Det är alltså möjligt att beräkna ett fasdiagram genom att först bedöma de termodynamiska egenskaperna för alla faser i ett system.
Metodik
Med CALPHAD-metoden samlar man in all experimentell information om fasjämvikter i ett system och all termodynamisk information som erhållits från termokemiska och termofysiska studier. De termodynamiska egenskaperna för varje fas beskrivs sedan med en matematisk modell som innehåller justerbara parametrar. Parametrarna utvärderas genom att optimera modellens anpassning till all information, även med samexisterande faser. Det är då möjligt att räkna om fasdiagrammet samt de termodynamiska egenskaperna för alla faserna. Filosofin för CALPHAD-metoden är att få en konsekvent beskrivning av fasdiagrammet och de termodynamiska egenskaperna för att på ett tillförlitligt sätt förutsäga uppsättningen av stabila faser och deras termodynamiska egenskaper i områden utan experimentell information och för metastabila tillstånd under simuleringar av fastransformationer .
Termodynamisk modellering av en fas
Det finns två avgörande faktorer för framgången med CALPHAD-metoden. Den första faktorn är att hitta realistiska såväl som bekväma matematiska modeller för Gibbs-energin för varje fas. Gibbs-energin används eftersom de flesta experimentella data har bestämts vid känd temperatur och tryck och alla andra termodynamiska kvantiteter kan beräknas utifrån det. Det är inte möjligt att få en exakt beskrivning av beteendet hos Gibbs-energin i ett flerkomponentsystem med analytiska uttryck. Det är därför nödvändigt att identifiera huvuddragen och basera de matematiska modellerna på dem. Diskrepansen mellan modell och verklighet representeras slutligen av en effektserieexpansion i temperatur, tryck och fasens konstitution. De justerbara parametrarna i dessa modellbeskrivningar är förfinade för att reproducera experimentella data. Styrkan med CALPHAD-metoden är att beskrivningarna av de ingående delsystemen kan kombineras för att beskriva ett flerkomponentsystem.
Jämviktsberäkningar
Den andra avgörande faktorn är tillgången på datorprogram för att beräkna jämvikter och olika typer av diagram och databaser med den lagrade bedömda informationen. Eftersom det för närvarande finns många olika typer av modeller som används för olika typer av faser finns det flera termodynamiska databaser tillgängliga, antingen gratis eller kommersiellt, för olika material som stål, superlegeringar, halvledarmaterial, vattenlösningar , slagg , etc. Det finns även flera olika typer av mjukvara tillgängliga med olika typer av algoritmer för att beräkna jämvikten. Det är en fördel om mjukvaran tillåter att jämvikten kan beräknas med hjälp av många olika typer av villkor för systemet, inte bara temperatur, tryck och total sammansättning eftersom jämvikten i många fall kan bestämmas vid konstant volym eller vid en given kemisk potential av ett grundämne eller en given sammansättning av en viss fas.
Ansökningar
CALPHAD hade en långsam start på 60-talet men sofistikerade termodynamiska databankssystem började dyka upp på 80-talet och idag finns det flera kommersiella produkter på marknaden, t.ex. FactSage, MTDATA, PANDAT, MatCalc, JMatPro och Thermo-Calc samt öppna -källkoder som OpenCalphad, PyCalphad och ESPEI. De används i forskning och industriell utveckling (t.ex. PrecipiCalc-programvara och Materials by Design Technology), där de sparar stora mängder tid och resurser genom att minska det experimentella arbetet och genom att göra termodynamiska förutsägelser tillgängliga för flerkomponentsystem som skulle vara praktiskt taget ouppnåeliga utan detta tillvägagångssätt. Det finns en tidskrift med detta namn där nya vetenskapliga landvinningar publiceras men vetenskapliga artiklar som beskriver användningen av CALPHAD-metoderna publiceras också i många andra tidskrifter.