摘要 自20 世纪50 年代发展起来的计算热力学从早期的计算机耦合相图和热化学性质(CALPHAD-CALculation of PHAse Diagram, 或Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry), 逐渐向动力学领域扩展, 建立起有机集成了计算热力学理论的以多元扩散相变模拟、形核析出模拟和相场模拟为特色的计算动力学方法. 同时, 结合实验数据、第一性原理计算、统计学方法及经验半经验理论, 运用CALPHAD 优化评估技术, 建立适用于多元多相材料的热力学、动力学以及物理性质的材料设计基础数据库. 这种面向多元多相材料体系的计算热力学、动力学方法和专用数据库的结合, 使模拟真实材料的相变过程和显微组织结构演化成为可能. 进一步以计算热力学、动力学为桥梁, 将电子、原子和分子等微观尺度和宏观层次的计算模拟联系起来, 构建多尺度集成计算平台, 建立多元多相材料的成分工艺-组织结构-性能之间的定量关系, 加速材料的开发和应用. 这是新材料理性设计和定制的崭新手段, 也是集成计算材料工程(ICME)和材料基因组计划(MGI)的目标. 本文将介绍计算热力学和计算动力学的基本理论、应用、发展现状及前景展望.
1875 年, Gibbs[1]发表了题为“On the equilibria of heterogeneous substances”的论文, 引入了化学势(chemical potential)的概念, 提出了将势及其共轭容量性质联系起来的热力学基本方程式(fundamental equations), 奠定了多相平衡的热力学基础. 而此时的相图研究主要是借助热分析、金相分析、X 射线结构分析等实验手段, 测定二元相边界、三元等温截面和垂直截面等. 30 年之后, van Laar[2,3]运用Gibbs 自由能模型, 进行了二元相图的计算. 在20 世纪50 年代, Meijering [4,5]将van Laar 的工作推广到三元及更高元体系. 1956 年, Kaufman 和Cohen[6]运用规则溶液模型计算了Fe-Ni 相图, 标志着相图计算(CALPHAD)方法的诞生. 从1959 年开始, Kaufman[7]系统地研究了晶格稳定性(lattice stability, 即纯元素的稳定结构与其他亚稳或不稳定结构之间的Gibbs 自由能之差,反映各种结构的相对稳定性). 晶格稳定性的概念为其后热力学计算方法成功地向二元及多元体系扩展奠定了基础. 随后, Kaufman 和Bernstein[8]在他们合著的“Computer Calculations of Phase Diagrams”一书中阐明了如何从实验相图和第一性原理计算的结果推导热力学模型参数, 以及如何根据参数计算图.Hume-Rothery, Kubaschewski, Hillert 和Ansara 等学者在20 世纪60, 70 年代共同努力, 同Kaufman 的工作一道, 推动了CALPHAD 方法的发展. 1973 年, 第一届CALPHAD 会议在美国Cambridge 召开. 1977 年第一期CALPHAD 杂志出版.
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