运用集成计算材料工程（ICME）设计先进钢铁材料

运用集成计算材料工程（ICME）设计先进钢铁材料

集成计算材料工程（ICME）是近年来材料科学领域的重要进展，它通过多尺度计算工具和高通量实验加速新材料的研发。本文将介绍ICME在设计先进钢铁材料中的应用，重点阐述其核心方法和成功案例。

作为设计新材料和工艺的新途径，集成计算材料工程（ICME）在加速新材料的合理设计和快速部署方面取得了巨大成功。材料基因组计划/材料基因工程（MGI/MGE）提出高通量实验、高通量计算和材料大数据三位一体的创新范式，突显了ICME的重要性。本文简要评述了ICME设计先进钢种的基本理论方法和多尺度计算工具，包括第一性原理计算、由专用数据库提供支持的CALPHAD方法（即计算热力学）、扩散和相场模拟，以及有限分析方法和机器学习。在设计钢铁材料的ICME方案中，CALPHAD方法因其处理多元多相工程材料的能力，扮演着核心角色；进一步集成微观模拟（如扩散和相场方法，预测响应外部条件的微观组织结构演变）和宏观有限分析方法（以模拟外部工艺条件、计算材料的力学性能），实现钢铁材料的全流程设计。本文最后介绍了两个ICME设计材料的成功应用案例。

ICME的核心理论方法

ICME涉及的多尺度方法之间的关联和集成思路。CALPHAD方法关联相图、热力学和热物理性质，具备多元多相体系的处理能力，以及与第一性原理计算结合的能力，在结构材料的ICME设计中扮演着核心角色。扩散和相场法集成了热力学和扩散动力学，模拟宏观过程中的微观组织演变。有限分析方法（包括有限元、有限差分和有限体积等方法）应用于工程材料的工艺过程，与微观组织模拟耦合，可模拟预测宏观热力分布和材料的力学性能。机器学习可应用到ICME的各个尺度，并跨尺度地关联微观组织结构和宏观力学性能。ICME的成功与否在很大程度上取决于计算模拟必备的集成式数据库。这类数据库集成了多种物理性质，也集成了实验、第一性原理计算以及机器学习获取的数据。

成功应用案例

文章最后介绍了两个ICME设计材料的成功应用案例。

期刊信息

本文原文发表于《材料基因工程前沿（英文）》（Materials Genome Engineering Advances，简称：MGE Advances），作为材料基因工程领域首个高水平综合性学术期刊，其宗旨是面向国家重点战略布局与材料学科国际学术前沿发展的重大需求，聚焦材料基因工程领域，刊载先进材料计算、高通量/自动化/智能化材料实验技术、材料数据库与大数据技术等材料基因工程关键技术的研究进展和前沿成果，以及三者在材料新效应/新原理探索和新材料发现等方面的重要应用，创建一个跨学科多领域交叉融合的国际一流高水平出版平台和学术交流平台，推动新材料研发模式变革。