Calphad-Anwendungen in der...
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Calphad-Anwendungen in der Thermophysik
Bengt Hallstedt*
*Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau, RWTH Aachen University
AK-Thermophysik, Aachen, 9.-10.3. 2015
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Inhalt
� Calphad - Hintergrund
� Methodik und Modelle
� Thermische Effekte (DSC/DTA)
� Reine Elemente
� Legierungen
� Dilatometrische Effekte
� Reine Elemente
� Legierungen
� Ausblick
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Calphad - Hintergrund
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Thermochemie und Phasendiagramme
PhasendiagrammThermochemie
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Calphad und Thermophysik
� Eigenschaften
� Wärmeinhalt/Enthalpie
� Wärmekapazität
� Dichte
� Thermische Ausdehnung
� (Oberflächenenergie)
� (Viskosität)
� Methoden
� DSC/DTA
� Dilatometrie
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Was ist Calphad?
� CALculation of PHAse Diagrams
� Grundlegende Ideen von Larry Kaufman in den 1960ern entwickelt
� Basiert auf der Theorie der heterogenen Gleichgewichte von J.W. Gibbs
aus den 1870ern
� Heirat zwischen Konstitutionslehre (Phasendiagramme) und
Thermochemie
� Mathematische Beschreibung (Modelle) der Gibbs-Energie jeder Phase
� Phasendiagramme + vollständige Thermochemie
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Wieso interessiert uns Calphad?
� Phasendiagramme sind „Landkarten“ für Legierungsentwicklung,
Wärmebehandlungsstrategien usw., aber im Wesentlichen auf binäre
und ternäre Systeme begrenzt.
� Thermochemie wird für alle denkbaren Prozesse eingesetzt wo
chemische Reaktionen oder Wärmeaustausch stattfinden.
� Calphad vereint beides für Systeme mit beliebig vielen Elementen und
bildet die Grundlage für weitere Modellierung und Simulation.
� Calphad ist das einzige (theoretische) Werkzeug, das für
Phasengleichgewichte und Thermochemie in Systemen mit mehreren
Elementen eingesetzt werden kann.
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Gefüge
X210CrW12
Phasenumwandlungen
Phasendiagramme Gefüge
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Bücher über Calphad
Saunders, Miodownik
1998
Lukas, Fries, Sundman
2007
Hillert, 1998, 2008
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Methodik und Modelle
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Generelle Strategie und Datenbanken
Binäre Systeme
(Wichtig!)
Ternäre Systeme
Extrapolationen
Werkstoffe
(mehrere Elemente)
+
+
=
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Thermochemie und Phasendiagramme
PhasendiagrammThermochemie
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Calphad Modellierung
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Elemente
298.15 K
In Calphad meist
nicht berücksichtigt
Gibbs energie:
G – Href = A + BT + CTlnT + DT2 +
E/T + FT3
Wärmekapazität:
cP = –C – 2DT – 2ET–2 – 6FT2
PT
GTGH
∂
∂−=
PP
P
T
GT
T
Hc
∂
∂−=
∂
∂=
2
2
SGTE unary database:A.T. Dinsdale, Calphad, 15, 317-425 (1991)
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Lösungsphasen
Gm = ∑°Gi – TSideal + EGm
Allgemein:
Gm = xA°GA + xB°GB
+ RT(xAlnxA + xBlnxB)
+ xAxB[0L + (xA –xB)1L + …]
Für jede Phase:
Redlich-Kister Polynom
Compound energy Formalismus:M. Hillert, J. Alloys Compd., 320, 161–71 (2001)
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Thermische Effekte (DSC/DTA)
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Wärmekapazität von Fe und Fe3C
P.D. Desai, J. Phys. Chem. Ref. Data, 15, 967-83 (1986)
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Wärmekapazität von Fe und Fe3C
B. Hallstedt et al., Calphad,
34, 129-33 (2010)
P.D. Desai, J. Phys. Chem.
Ref. Data, 15, 967-83 (1986)
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X210CrW12: Das Phasendiagramm
Zusammensetzung: 2,15%C, 0,30%Mn, 0,30%Si, 12,0%Cr, 0,7%W
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X210CrW12: Wärmeinhalt und Wärmekapazität
Schmelzwärme: 207 J/g
cP ≈ 0.84 J/(g,K)
cP ≈ 0.78 J/(g,K)
Ferrit + M7C3
Austenit + M7C3
stabil
Schmelze
metastabil
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Dilatometrische Effekte
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Aluminium: Molare Volumina
B. Hallstedt, Calphad, 31, 292-302 (2007)
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Aluminium: Wärmeausdehnung
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Al-Si Phasendiagramm als f(P)
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Dilatometer: Umwandlungsverhalten vom Stahl 56NiCrMoV7
A. Eser, Dissertation, IWM, 2013
Zusammensetzung: 0,54%C,
0,85%Mn, 0,28%Si, 1,15%Cr,
1,62%Ni, 0,5%Mo, 0,09%V
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Ausblick
� Thermophysik � Calphad
� Umwandlungstemperaturen
� Wärmekapazität
� Umwandlungsenthalpien
� Dichte / Thermische Ausdehnung
� Calphad � Thermophysik
� Versuchsauswahl
� Interpretation der Resultate
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Bengt Hallstedt
IWM – Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau
RWTH Aachen University
Augustinerbach 4
52062 Aachen
www.iwm.rwth-aachen.de