来源：中国科学杂志社

中南大学轻质高强结构材料国防科技重点实验室杜勇和中南大学数学与统计学院郑洲顺教授合作，结合课题组在该方向的研究工作，对相图热力学数据库及其计算软件的过去进行了简单回顾, 并对现状以及未来的发展趋势进行了讨论。

相图被誉为材料设计的指导书和冶金工作者的地图, 其重要性不言而喻。相图与热力学密切相关, 由相图可以解析热力学信息, 反过来基于热力学原理和热力学数据也可以构筑相图。随着热力学和计算机技术的发展, 经过Gibbs、van Laar、Meijering、Kaufman、Kubaschewski、Hillert和Ansara等几代学者的共同努力, 20世纪70年代以来, 相图研究从相平衡和热力学性质的实验测定进入到了相图和热化学性质的计算机耦合的新阶段, 并逐渐发展成为一种相图热力学研究的方法——CALPHAD (CALculation of PHAse Diagram或Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry)方法。

CALPHAD方法基于热力学理论, 建立具有一定物理意义的Gibbs自由能模型来描述材料体系各组成相的热力学性质, 通过拟合由实验、第一性原理计算以及经验公式获得的不同类型的数据来优化拟合模型参数, 为多元多相材料构建工程精度的数据库。人们利用CALPHAD方法、通过Gibbs自由能建模和平衡计算, 将以往相对独立的相图信息和热力学信息统一起来, 为进一步描述材料相变和组织演化过程奠定了热力学理论基础。

经过数十年的发展, CALPHAD方法在材料科学研究和工程应用上受到越来越多的关注。近十年来, 美、德等西方发达国家及我国相继实施了一系列新材料发展计划, 旨在通过高通量的实验、高通量计算和数据库的有机结合, 系统寻找材料组分/工艺-组织结构-性能的定量关系, 从而加速新材料的研发和应用速度。2008年美国国家研究委员会在关于增强未来国家竞争和国防安全的报告中指出, 在实现集成计算材料工程(ICME)的过程中, CALPHAD方法无疑是最重要的, 也可能是目前唯一的通用工具。美国西北大学的Olson教授指出：“尽管当前对于‘什么是材料基因’的讨论仍在继续, 但可以确定我们现在已经拥有的‘基因’是CALPHAD数据库及相关软件······”。

基于CALPHAD方法构筑的热力学和动力学以及热物性质数据库是微结构模拟与性能预测的基本输入参数来源。CALPHAD方法成功的两大要素是精确地描述材料体系的相图热力学数据库和先进的综合性计算软件。中南大学轻质高强结构材料国防科技重点实验室杜勇和中南大学数学与统计学院郑洲顺教授合作，结合课题组在该方向的研究工作，对相图热力学数据库及其计算软件的过去进行了简单回顾, 并对现状以及未来的发展趋势进行了讨论。

一个典型的相图

CALPHAD数据库及其计算软件是公认的当前已经拥有的材料基因。为了满足人们对新材料的设计研发需求, 相图热力学方向研究人员应该对现有的相图数据库进一步完善和细化, 构筑满足各个研究领域需求的精确的相图热力学数据库。外场作用(外磁场、高压和极限温度等)以及尺寸效应将是新一代相图热力学数据库的研究热点。同时, 精确相图热力学数据库的构筑离不开具有高效计算能力的相图热力学计算软件的开发。为了更高效地实现ICME框架下各种计算方法的集成, 开发新的热力学模型, 测试新算法并拓展软件新功能是现在相图热力学计算软件的研究方向。

该文章近期在线发表于《中国科学：化学》中文刊，点击左下角“阅读原文”可查阅全文 ▼

刘树红,  金波,  傅太白,  曾银平,  都昌发,  杜勇,  郑洲顺. 相图热力学数据库及其计算软件: 过去、现在和将来. 中国科学：化学, 2019. DOI: 10.1360/N032018-00258