Введение к работе
Актуальность темы.
. . Фундаментальной основой для создания новых материалов является построение фазовых диаграмм многокомпонентных систем. Исследование фазовых диаграмм (ФД) традиционными экспериментальными методами требует значительных временных и материальных затрат. В последнее десятилетие в России и за рубежом стал тшвиваться комплексный подход к построению оптимизированных фазолчх диаграмм, а именно, термодинамический (т/д) расчет ФД на основе всей имеющейся экспериментальной информации. При этом учитываются экспериментально исследованные. фазовые равновесия и т/д свойства сплавов в ограниченных областях температур и составов. Компьютерное моделирование ФД позволяет связать и согласовать экспериментальные данные как по т/д свойствам, так и по.фазовым равновесиям сплавов. Наконец, методами компьютерного моделирования ФД можно получить данные о т/д свойствах сплавов в одно- и многофазных областях ФД, что представляет определенный .практический интерес. В то же время экспериментальные исследования т/д свойств жидких или твердых сплавов часто затруднены по разным причинам (либо- высокие температуры и высокая летучесть, либо низкие темперэтуры, где процессы диффузии лимитируют достижение равновесия, особенно для сплавов с тугоплавкими компонентами).
Анализ работ, посвященных т/д описанию хим. равновесий многокомпонентных систем, позволяет выделить два основных направления: I) методы т/д' анализа фазовых равновесий в общей форме бее применения конкретных моделей (работы этого направления носят' скорее качественный, чем количественный характер); 2) работы, посвященные созданию конкретных моделей, а, именно, исследующие зависимости свободной энергии Гиббса (СЭГ) различных фаз от ее аргументов в рамках конкретной модели. Работы второй
группы можно в свою очередь классифицировать следующим образом: I). строятся модели фаз и записываются явные или неявные зависимости СЭГ конкурирующих фаз от состава, температуры ' , давления и параметров модели; 2) с учетом зависимости СЭГ фаз, заданных. явно или неявно от своих аргументов, предлагаются общие методы расчета ФД, пригодные для широкого класса моделей; 3) после построения термодинамически стабильных ФД осуществляется анализ поведения и расчет зависимостей т/д свойств на фазовых границах, в одно- и многофазных областях ФД; 4) проводятся расчеты ФС п-коипонентннх систем и т/д свойств для решения различных прикладных задач в облзсти материаловедения, металлургии, геологии. Исследования, проведенные в данной работе, относятся ко 2-му и 4-му направлениям приведенной классификации. Цель работы.
Целями настоящей работы являются: I) построение эффективного алгоритма и создание комплекса автономных программ по расчету термодинамически стабильных фазовых диаграмм двухкоштонентных систем, содержащих р-неупорядоченных растворов замещения и q соединений с постоянной стехиометрией; 2) разработка методики решения прямых и обратных задач и ее применение к расчету фазовых дааграш систем NI-W и Ni-Cr. Научная новизна.
Разработан и программно, реализован оригинальный алгоритм расчета фазовых диаграмм бинарных систем, содержащих р фаз переменного и q фаз постоянного составов ((p.qJdO) по известным зависимостям энергий Гиббса конкурирующих фаз от температуры и состава (прямая задача). При этом: I) решен врпрос об автоматическом определении областей допустимых значений для концов двухфазных конод и выборе начального приближения для решения системы уравнений фазового равновесия (УФР); 2) автоматизирован процесс построения двухфазных конод ( численное решение системы
УФР с помощью быстро сходящегося У-алгоритма, позволяющего
-S й производить вычисления с высокой степенью точности - 10 -10 );
3) предложен эффективный метод отбора термодинамически стабильных
конод, значительно сокращающий обЪем необходимых вычислений.
Вышеупомянутый метод протестирован на расчете фазовых диаграмм
систем Al-Si, Ni-Al (по литературным данным).
Предложена .методика решения обратных задач, т.е. поиска
неизвестных параметров для ТОТ конкурирующих фаз путем
согласования разнородной экспериментальной информации как по
фазовим равковесиям, так и по т/д свойствам в одно- и многофазных
областях ФД. На примере расчета 'ФД систем NI-W и Ni-Cr показано,
как с помощью данной методики удается: I) согласовать разнородную
.экспериментальную информацию ( по фазовым равновесиям и термодинамике ), полученную независимо разными авторами в разное время; 2) правильно описать топологию рассматриваемой ФД'с помощью наложения ограничений на пространство варьируемых параметров; 3) уменьшить размерность пространства варьируемых параметров с помощью записи различных условий связи между зависимыми и независимыми параметрами оптимизации; 4) снять неоднозначность, возникающую при решении обратной задачи и тем самым решить некорректно поставленную задачу (некорректность по Тихонову); 5) предсказать широкий спектр прогнозируемых т/д свойств (парциальных
. и интегральных энтальпий и энтропии, хим. потенциалов компонентов, интегральной теплоемкости и д.р.) в широком диапазоне температур и составов в одно- и многофазных областях ФД на основе ограниченной экспериментальной информации о т/д свойствах отдельных сплавов. Практическое значение работы.
Предложенная методика построения термодинамически стабильных ФД может быть эффективно использована для: I) создания банков данных по оптимизированным фазовым диаграммам и т/д свойствам бинарных систем; 2) расчетов ФД двухкомпонентных систем, что
является необходимым этапом при т/д расчете ФД многокомпонентных, систем. Показана возможность предсказания т/д свойств для сплавов, расположенных в одно- и многофазных областях фазовых диаграмм бинарных систем там, где экспериментальные данные не получены. Созданный комплекс автономных программ по решению прямых и обратных задач может быть широко использован как в учебном процессе для обучения студентов и аспирантов, так и специалистами в области материаловедения, металлургии и геологии. Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались на VI Всесоюзной Школе-Семинаре "Применение математических методов для описания и изучения физ.-хим. равновесий" (Новосибирск, 1989); на II Всесоюзном Совещании "Применение ЗВМ в научных исследованиях и разработках" (Днепропетровск. 1989); на V Всесоюзном Совещании "Диаграммы состояния металлических систем" (Москва-Звенигород, 1989); на II Всесоюзном Совещании "Базы физико-химических и технологических данных для оптимизации металлургических технологий" (Курган, 1990); на VII Всесоюзной конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (Челябинск, 1990); на Всесоюзном Совещании "Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии" (Новокузнецк, 19Э1); на международных конференциях CAEFHAD XIX (Amsterdam, Holland, 1990), CALPHAD ПІ (Yerusalem, Israel, 1992). Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 15 работах, указанных в конце автореферата. Структура и объем работы.
Диссертация состоит из Я глав и Заключения. В I главе дается обзор существующих методов построения фазовых диаграмм. Во 2 главе описана тормодииамич^скал постановка задачи. В 3 и 4 главах
