Thermo-Calc

Thermodynamische Modellierung von Werkstoff-Legierungen – Die CALPHAD-Methode

Die computergestützte Simulation ist heutzutage wichtiger Bestandteil der Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Dies gilt auch zunehmend für die Materialwissenschaften. Die Berechnung der Materialeigenschaften unter bestimmten Bedingungen ermöglicht Legierung auf deren Eignung für Verfahren und Anwendung zu prüfen, ein besseres Verständnis über Vorgänge im Material zu entwickeln und Legierungszusammensetzungen und Schichtsysteme gezielt zu optimieren.

Thermo-Calc ist ein Software-Paket, bestehend aus Werkstoff-Datenbanken, die sich auf theoretische und experimentelle Informationen stützen, und einer Benutzerschnittstelle zur Berechnung von thermodynamischen Problemstellungen in mehrkomponentigen Legierungssystemen. Die CALPHAD-Methode (Calculation of Phase Diagrams) beruht auf der Berechnung von Phasengleichgewichtszuständen und thermodynamischen Eigenschaften in einem definierten System. Die Eigenschaften jeder Phase werden durch die freie Gibbs Energie unter Anwendung eines mathematischen Modells mit variablen Parametern, das u.a. Kristallstruktur und Bindungsart berücksichtigt, beschrieben.

Mit Hilfe des Programms können so

• Eigenschafts- und Phasendiagramme
• Chemische Zusammensetzung und Gefügeanteil von Phasen
• Thermodynamische Größen wie Enthalpie, Entropie, Wärmekapazität etc.
• Umwandlungstemperaturen (z.B. Solidus, Liquidus oder Austenitisierungstemperatur bei Stahl)     und
• Erstarrungsvorgänge durch das Scheil-Gulliver Modell

ermittelt werden. Die Ergebnisse der  Berechnungen lassen sich einfach als Grafiken oder Tabellen darstellen und speichern.

Außerdem erlauben Add-Ons eine Vielzahl weiterer Simulationen. Dazu gehört das Diffusionsmodul DICTRA, mit dem Diffusionsvorgänge in komplexen Materialsystemen simuliert werden können. Hierfür wird neben der thermodynamischen Datenbank zusätzlich eine kinetische Datenbank verwendet, die Informationen zu der Mobilität von Atomen im den relevanten Phasen liefert. Anwendungsbeispiele für diese Simulationen sind

• Mikroseigerungen während der Erstarrung
• Auflösung und Wachstum von Karbiden, Nitriden und intermetallischen Phasen
• Interdiffusion in Schichtsystemen
• Wärmebehandlungen            und
• Diffusionsbehandlungen wie Karburieren, Nitrieren, Borieren

Die Diffusionssimulation mit DICTRA ist eindimensional und verfügt über drei unterschiedliche Geometrien (planar, zylindrisch und sphärisch) zur Definition eines Bereichs im Werkstoff. Die Temperatur kann über die Simulationsdauer konstant gehalten oder es kann ein genaues Temperaturprofil angegeben werden. Dies ist ausreichend, um viele diffusionsgesteuerte Prozesse aus der Praxis abzubilden.