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T hermo Calc 软件在钢铁材料研究中的应用
郑 华 李晓研
湖北 武汉 : 430080) ( 武汉钢铁 ( 集团) 公司研究院

摘 要 对 T hermo Calc Classic 软件 ( T CC) 中各功能模块的功能及相互关系作了介绍性描述 , 并 结合几个在钢中应用 T CC 计算的例子 , 对其基本的计算步骤及相关命令做了说明 。 关键词 T hermo Calc 软件; 功能模块 ; 钢铁材料 ; 热力学 文献标识码: A 文章编号 : 1671 3524( 2008) 03 0027 05 PA RROT : 参数优化模块。根据已有的实验结 果或文献数据, 建立统一的热力学模型及参数。 ED_EXP: P ARROT 的子模块。用于编辑实验 数据。 T DB: 热力 学数 据库 模 块。对 于 钢铁 材 料研 究 , 常用的是钢的数据库 T DB_T CFE 。 GES: 吉布斯能量系统模块。用于热力学模型、 数据的处理。除非使用者能提供新的热力学数据, 否则不会用到此模块。 TAB : 制表模块。用于热力学数据的表格输出。 P OL Y: 平衡态计算模块。 P OST : 输出图形后处理模块。 中图分类号 : T P31. 52

T hermo Cal c 软件是一款基于已有文献和实验 数据基础之上的热力学计算软件 , 由瑞典皇家工学 院( KT H ) 研发, 并于 1981 年首次发布。目前 , 该软 件已被广泛用于计算不同体系的复杂相平衡或多元 相图 , 在新材料设计、 材料工程 应用等过程中 根据 T hermo Calc 计算结 果进行设计优化, 可有 效节省 人力、 物力。该软件最早被发展用于钢中的热力学 计算 , 有关钢的数据库也比其它体系的数据库更为 完备 , 是钢铁材料研究过程中一款有力的工具 , 可从 钢的平衡态相组成、 合金化的影响、 析出相形成规律 [ 1~ 3] 等不同角度开展热力学计算 。 目前 该 软 件 分 为 经 典 版 ( T CC ) 和 视 窗 版 ( T CW) 两 种, 计 算 原 理 及 过 程 完 全 一 样。 使 用 T CC 能够更灵活、 充分的发挥软件的功能 , 通过其 中的 macr o f ile open 命令还能够直接调用已有程 序, 计算参数可在文本格式的程序文件中随时修改 , 使日常的计 算过程大为简化。 T CW 是在 T CC 基 础上发展而来, 采用了 Window s 界面, 使初学者能 够迅速根据窗口提示开展计算。本文仅针对 T CC 在钢铁材料中的应用对软件作初步介绍。

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T hermo Calc 软件各模块 的功能及关系

图1

Thermo Cal 软件各应用模块关系图 ( 摘自 TCC 使用手册 )

钢中的数据库比较成熟 , 对一般使用者而言 , 若 T hermo Cal c 由多个功能模块组 成, 各模 块间 的关系如图 1 所示。各模块的功能如下 : SYS: 系统模块。用于 T herm o Cal 软件各模块 的交互转换、 宏文件操作等。
收稿日期 : 2008 08 15 作者简介 : 郑 华 ( 1979~ ) , 男 , 博士 , 工程师 . E m ail: z hen ghua79@ 163. com

没有新的热力学实验数据 , 或者要对热力学模型参 数进行修改, 则不会用到 PARROT 、 ED_EXP 、 GES 模块。钢铁 材 料 计算 的 常 用流 程 是: 进 入 T DB _ T CF E 调 用合 金系 统热力 学 数据 ! 进 入 P OLY 进

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行热力学平衡态计算 ! 进入 POST 输出所 需的热 力学数据并对图形进行编辑。

* . t xt 格式的文本文档中保存, 然后打开 T CC 软件 界面, 直接输入宏文件调用命令 macr o f ile open , 在弹出的窗口中找到记录该命令的文档 , 双击打开 即可运行。例子中方括号及内部文字为解释说明内 容 , 实际运算中应删除。 若不调用宏文件, 在 T CC 界面开始一个新的计 算时, 要首先键入 set log file 命令, 系统会将本次 计算的命令行记入宏文件保存, 以方便修改和再次 调用。 例 1: Fe 0. 3% C 1. 0% M n 0. 6% Cr 的 A3 温 度。本例无图形输出, 至步骤 3 即结束运算。命令 行如下 : g o data [ 进入数据库, 系统默认为钢的数据库 T DB_T CF E。 ] def ine system f e c mn cr [ 定义系 统, 为 Fe C M n Cr 四元系。最多可定义 7 个元素。 ] g et [ 调用该合金系相关的热力学数据库。 ] [ - - - - - - - 以上步骤 1- - - - - - - ] g o p 3 [ 进入 POL Y 模块] set condit ion n= 1 p= 101325 t= 1000 w ( c) = 0. 003 w ( mn) = 0. 01 w ( cr) = 0. 006 [ 设定初始平衡点 ] list co ndit ion [ 列出系统状 态。自由度应显示 为零。 ] comput e equilibrium [ 计算平衡。 ] list equilibrium [ 显示平衡。列出 该平衡点处 的各种热力学数据。 ] [ - - - - - - - 以上步骤 2- - - - - - - ] change st at us phase bcc= f ix 0; [ 设定 BCC 相 的质量分数为零, 此时系统自由度减少 1] set condit ion t = none [ 释放温度自由度, 使自 由度重新为零。 ] comput e equilibrium [ 计算新平衡。 ] list equilibrium [ 显示平衡。此时即可显示 A3 温度。 ] show t [ 显示 A3 温度。 ] show t . w ( c) [ 显示 A3 与 碳含量 的关系 , 即 t 。 ] w( c) show t . w ( cr) [ 显示 A3 与铬含量的关系。 ] set int er [ 结束运算。 ] [ - - - - - - - 以上步骤 3- - - - - - - ] T herm o Calc 软件中的所有命令均支持简写形 式 , 如设定状态可写为 s c ( 即 set co ndit ion) , 显示

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T hermo Calc 计算步骤

采用 T CC 对钢铁材料进行计算可大致分成以 下四个步骤进行 , 计算分属于三个模块 , 如下所示 : ( 1) T DB_T CF E5 模块 进入钢的数据库 , 并定义系统。在此要列出钢 中合金元素的种类 , 然后调用跟此合金系统相关的 热力学数据。 ( 2) P OLY 模块 1) 给定初始平衡点, 计算平衡。T CC 的计算均 要从某一单个的平衡点计算开始 , 在此步骤要人工 给出一个平衡点 , 设定元素含量、 压力、 温度、 体系摩 尔数等参数, 使体系自由度等于零, T CC 会 计算该 平衡点处的所有热力学参数, 如各相分数、 各相自由 能、 各元素化学势等。 2) 释放一个或两个自由度 , 并给出各自由度的 变化范围和变化步长, 计算在此范围内的所有热力 学参数。计算 可分为 点、 线、 面 等多种方式。比 如, 释 放温 度, 变 化范 围 为 500 ? ~ 2000 ? , 步 长 30 ? , T CC 会计算在此温度范围内每隔 30 ? 各点的 所有平衡态热力学参数, 即 线 式计算 ( st ep) 。或 者让温度和某一元素的化学成份同时变化, T CC 会 计算温度每步进一次, 在该温度点处不同化学成份 时的平衡态热力 学参数, 即 面 式计算 ( map) 。也 可只计算某一个 点 , 比如钢中 A 3 温度的计算: 在 步骤 2 的基础上 , 将铁素体 bcc 相的含量设定为 0, 使体系自由度减少, 然后释放一个温度 ( t ) 自由度 , T CC 会自动寻找 bcc= 0 时的平衡点 , 并得到该点 的包括温度在内的所有热力学数据。 ( 3) P OST 模块 图形后处理。在步骤 3 中 , 根据 step 或 map 计 算, 已得到设定参数变化范围内的各种平衡态热力 学数据, 此时可根据需要输出所关心的数据, 即根据 步骤 3 的计算结果绘制图形, 并对图形进行编辑。

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T hermo Calc 计算方式 及相关常用命令

根据上述 4 个计算步骤, 对 T CC 计算方式和常 用的命令进行举例说明。例子均为文本格式的宏文 件, 感兴趣者可直接将例子中的命令行复制到一个





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平衡可写为 l equi( 即 list equilibr ium) , 只要不与其 它命令混淆即可。 例 2: 钢中加入 0. 8% Al 后对 F e Fe 3 C 相图的 影响。 go dat a define sy st em f e c al list system phase [ 显示 F e C A l 体 系有哪 些 相。 ] reject phase g raphit e [ 去掉石墨相。实际体系 中并不出现热力学上稳定的石墨相 , 而出现渗碳体 , 去掉石墨后, 软件在随后步骤中会自动计算含有渗 碳体的平衡态。 ] get [ - - - - - - - 以上步骤 1- - - - - - - ] go p 3 set co ndition n= 1 p= 101325 t = 1000 w ( c) = 0. 01 w ( al) = 0. 008 com put e equilibrium [ - - - - - - - 以上步骤 2- - - - - - - ] set axis value 1 w ( c) 0 0. 05 0. 0001 [ 设定变 量 1 为碳质量分数, 范围 0 0. 05, 步长 0. 0001] s a v 2 t 700 1900 30 [ 设定变量 2 为温度 , 范 围 700K 1900K, 步长 30K 。 ] map [ 计算变量 1 、 2 变化范围内的所有平衡点。 若只设定了一个变量 , 此处应采用 st ep 命令] [ - - - - - - - 以上步骤 3- - - - - - - ] post [ 进入 POST 模块。 ] set t it le Gr aph 1 [ 设定图形名称为 Graph 1] plo t, , [ 输出图形。逗号表示省略后续询问 , 直 接绘图。此时 可在输出的图形 上直接进行格 式编 辑, 并加注标识。 ] set int er [ - - - - - - - 以上步骤 4- - - - - - - ] 执行上述运算后, 输出图形如图 2 所示。从图 2 可看出 , 与 Fe F e3 C 相图相比, A l 的加入扩 大了 BCC+ F CC 两相区, 当碳含量小于 0. 1% 时, 两相区 温度范围增加接近 200 ? 。图中各相区的标识是在 输出图形中直接插入文本框得到, 也可在 P OST 模 块中输入相关命令进行编辑。 计算三元相图时 , 在设定了两个成份变量后, 温 度需固定 , 因此只能计算在某一温度时的三元相图 截面 , 计算方法和步骤与例 2 基本一致。 T CC 还提供了一些简化的计算命令。例如, 若 已知 一 种 钢 的 化 学 成 份, 可 在 计 算 中 直 接 进 入

P OL Y 模 块, 输 入 命 令 define mat erial ( 定 义 材 料 ) , 根据窗口提示输入初始的化学成份、 温度、 压力 值 , 并进行计算平衡。该命令相当于 T DB 模块中的 def system 、 g et, 以 及 P OL Y 模 块 中 的 set condi t ion、 co mput e equilibrium 等四个命令的组合 , 即步 骤 1~ 2, 后续计算则从步骤 3 开始, 设定一个或两 个变量进行平衡态计算。

图2

加入 0. 8%Al 后的 Fe Fe3 C 相图

命令 def ine diagram 与 def ine material 类 似, 但在计算中只能规定一个变量, 比如变化温度或者 成份。对于钢中的很多运算 , 采用此命令是很方便 的 , 如例 3 所示。 例 3: 性质图计算, 成份 F e 0. 08% C 1. 8% M n 0. 06% Nb 0. 1% T i。 利用 define diagram 命令, 可根据 窗口提示输 入钢的成份、 采用的变量、 输出数据类型等。除成份 外 , 其它参数均有一个默认值, 若均采用默认值, 软 件会首先输出一个横轴为温度、 纵轴为各相百分比 的图形 , 然后自动进入 POST 模块, 此 时使用者可 根据需要再输出所关心的数据。也可将钢中某一元 素的成份设为变量 , 则温度按初始设定值进行计算。 本例中标识为斜体的均为系统采用的默认值 , 被自 动记录在宏文件中, 实际操作时根据提示按回车键 即可得到这些参数 , 不需手动输入。 go p 3 def ine diag ram T CF E5 [ 默认进入钢的数据库] f e [ 主要合金元素 : F e] Y [ 默认采用质量百分比 ] c 0. 08 mn 1. 8 Nb 0. 06 T i 0. 1 [ 输入各合金元 素质量百分数] [ 系统默认空一行 , 表示合金元素已全部输

30 入。 ] 1000 [ 初始温度 1000 ? ] NONE [ 不去掉任何相 ] NONE [ 不新增任何相 ] Y [ 选定列出的各相 ]

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plot , , set int er [ - - - - - - - 以上步骤 4- - - - - - - ] 执行上述计算后, 输出图 形如图 3 、 图 4 所示。 从图 3 看出 , 渗碳体在 515 ? ~ 665 ? 之间存在, 质 量百分数约 0. 6% , F CC_A1# 2 析出相的含量约 0. 1% , 在高于 1270 ? 时全部溶解。从图 4 看出 , FCC _A1# 2 为 ( Nb, T i) 复合碳化物 , 析出相中的 Nb/ T i 质量比约为 0. 6, 在高于 800 ? 时 , 析出相中的 T i 逐渐溶出, Nb/ T i 比增加。

N [ 不进行混溶隙( miscibilit y g ap) 检查] [ - - - - 以上相当于步骤 1~ 2 - - - - ] 1 [ 变量为温度 ] 300 [ 温度最低值 300 ? ] 1400 [ 温度最高值 1400 ? ] 6 [ 纵轴设定为各相的质量分数] PL OT , , , , , ; PL OT , , , , , ; PL OT , , ; ! [ 此时系统自动绘制一个 x 轴为温 度的性质图, 并进入 P OST 模块。 ] @ ? [ 暂停符。当绘制多幅图形时, 插入暂停符 可方便查看, 按回车继续。 ] [ 以上多组默认值包括系统的初始温度、 需去掉 或保留哪些相、 采用的变量是温度或是成份( 只能设 1 个变量 ) 、 输出图形的 y 轴坐标类型等。在实际运 算中 , 窗口均有提示 , 可根据需要选择。本例全部采 用系统默认值, x 轴变量为温度, y 轴为各相的质量 分数。在后续 P OST 模块 , 输出图形的变量坐标轴 也只能是温度。 ] [ - - - - - - - 以上步骤 3- - - - - - - ] set t it le Gr aph 2 [ 设定图形名称为 Graph 2。 ] set scaling x n 400 1400 [ 设定 x 轴显示范围 , 400 ? - 1400 ? 。 ] set scaling y n 1E 5 1 [ 设定 y 轴范围, 此时 y 轴仍为系统默认的各相质量分数。 ] set axis t ype y log [ 设定 y 轴为对数坐标。 ] set label d [ 对图形中的曲线进行标注。d 表示 对不同的相用数字标示, 在实际操作画面中, 可根据 提示采用其它标注方式。 ] plo t, , [ 画图。 ] @? set t it le Gr aph 3 set diagr am ax is y w ( fcc_a1# 2, * ) [ 设定 y 轴为 f cc_a1# 2 相中各元素的质量分数] * [ 默认值, 表示输出时显示所有的元素] set scaling x n 400 1400 set scaling y n 0 1 s a t ype y line [ 设定 y 轴为线性坐标。 ] set label d

图3

各相质量分数随温度的变化

图 4 ( Ni, Ti) 复合碳化物中的各元素质量分数

以上对 T herm o Calc 在钢 铁材料 中的应 用作 了初步说明 , 重点在于介绍软件的大致结构和基本 的计算步骤。在 T CC 界面中 , 对任一步骤 , 均可输 入 ? 进行询问, 查看该步骤功能或包括哪些命令。 T CC 使用手册中对每一个命令的功能和使用方法 均有详细说明。

4

结语

T herm o Calc 把历史形成的热力学文献数据打





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包备用, 其最大的优点在于使用灵活、 方便, 起到钢 铁材料研发人员的桌面词典的作用。遇到新的钢种 设计或者工艺优化时 , 通过 T CC 对钢的平衡进行计 算, 可加深对各种热过程中钢的组织特点的理解, 并 指导材料设计工艺优化。 参考文献
[ 1] 胡锦程 , 宋红梅 , 俞 敏 , 等 . 铁素体不锈钢 410S 与 430 高温相 [ 2] [ 3]

组织的 Thermo Cal c 计算 与 试 验研 究 [ J] . 宝 钢 技 术 , 2007, ( 4) : 20- 23. 何燕霖 , 王文革 . 预硬型塑 料模具钢 718 的切削性 能和夹杂 物 研究 [ J] . 金属热处理 , 2003, 28( 1) : 51- 54. 陈宏宇 , 刘正东 . SA 508- 3 钢平 衡相 转变的 热力学 计算和 分 析 [ J] . 特殊钢 , 2007, 28( 2) : 19- 21.

Application of Thermo Calc Software in Steel Research
ZH E N G H ua LI Xiaoyan

Abstract: T his ar ticle brief s T hermo Calc Classic( T CC) sof tw are, including t he f unct ion of it s basic modules and correlat ion. Several calculat ion ex am ples used in st eel are g iv en to help underst and the basic calculat ion st eps and funct ion of some comm ands. Key words: T hermo Calc sof tw are; funct ional modules; st eel; t hermo dynamics ( 责任编辑 : 栗 晓) ( 上接第 12 页)
1997; 12: 3- 6.

参考文献
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Effects of Anchoring Agents on Performance of Ladle Brick Lining
G ON G Shishun Q IN Changjie XU Zhihua LE I Zhongx ing H ON G Xueqin

Abstract: Sev eral exper im ent s w ere carr ied out to det ermine t he eff ect s of t hree kinds of anchoring a g ent s on t he perf orm ance of ladle br ick lining . T he result s show ed : mechanically pressed ladle brick, w hen added w it h resin, contains 1% or so carbo n. On t he contr ar y, t he ladle brick, w hen binded w it h inor ganic ancho ring agents F 50 and f 08, co nt ains no addit ional carbon, w hich f it s t he curr ent dev elo pm ent t rend of ladle non car bonizat io n. Besides, t he use of F50 and F 08 w ill impr ove A l/ M g ladle brick heat resist ance, w it h no ef f ect on slag resist ance and antiheat / ant ishock st abilit y. Key words: inorg anic anchoring ag ent ; m echanically pressed ladle brick; non carbonizatio n ( 责任编辑 : 栗 晓)


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