王晨充，魏曉蓼，沈春光，徐 偉

(東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819)

1 前 言

在當(dāng)今國家發(fā)展建設(shè)中，從鐵路、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)到飛機(jī)制造、海洋工程等高端裝備制造，鋼鐵材料都是至關(guān)重要的核心基礎(chǔ)材料。然而，鋼鐵材料作為傳統(tǒng)材料雖然經(jīng)歷了數(shù)千年的發(fā)展，但仍存在眾多基礎(chǔ)理論問題尚未解決。目前，鋼鐵材料處于迅猛發(fā)展的階段，對其使役性能、成本等提出的高要求使材料成分、工藝越來越復(fù)雜，尤其是高端裝備用特殊鋼，其研發(fā)往往涉及多成分、復(fù)雜工藝以及多層級復(fù)雜組織的設(shè)計(jì)與調(diào)控。傳統(tǒng)鋼鐵材料設(shè)計(jì)中以經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的試錯(cuò)法研發(fā)方式雖然能在部分問題上繞過物理機(jī)理不明的限制，但同時(shí)也會消耗大量的時(shí)間和成本，因此已經(jīng)無法滿足各個(gè)領(lǐng)域?qū)︿撹F材料的迫切需求。與傳統(tǒng)鋼鐵材料研發(fā)模式不同，材料基因模式下的高通量計(jì)算設(shè)計(jì)方法從材料性能要求出發(fā)，倒推出相應(yīng)組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對成分、工藝進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足特殊鋼的短周期、高性能研發(fā)目標(biāo)。因此，為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求，鋼鐵材料，尤其是特殊鋼的研發(fā)方式需要逐漸從傳統(tǒng)試錯(cuò)法向計(jì)算設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模式轉(zhuǎn)變。

隨著材料基因工程的興起，高通量集成計(jì)算設(shè)計(jì)在特殊鋼研發(fā)中的應(yīng)用受到更為廣泛的重視，而材料基因思想也進(jìn)而在其它成分、工藝更為簡潔的材料體系中得到了進(jìn)一步發(fā)展?；诓牧匣蚪M思想的材料研發(fā)主要分為3個(gè)模塊(如圖1所示)[1]：高通量計(jì)算設(shè)計(jì)、高通量制備與表征和數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)。這3個(gè)模塊是交叉融合、相輔相成的。其中數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)主要是對已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、高通量計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果、高通量制備與表征結(jié)果等多方面信息的歸納、總結(jié)與深入挖掘。數(shù)據(jù)庫是材料高通量計(jì)算、設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)，目前特殊鋼有關(guān)數(shù)據(jù)庫還很缺乏，因此前期通過材料制備表征等獲得可靠的特殊鋼基礎(chǔ)和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫是特殊鋼研發(fā)的重點(diǎn)。高通量計(jì)算設(shè)計(jì)和高通量制備與表征技術(shù)的發(fā)展也是基于材料基因組設(shè)計(jì)思想的鋼鐵材料研發(fā)中的重要技術(shù)瓶頸。高通量計(jì)算設(shè)計(jì)和高通量制備與表征的最終目的都是減少試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)量，縮短研發(fā)周期。高通量制備與表征可以快速為高通量計(jì)算設(shè)計(jì)提供大量數(shù)據(jù)，給予高通量計(jì)算數(shù)據(jù)庫支撐。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，高通量計(jì)算設(shè)計(jì)和高通量制備與表征是并行且相互促進(jìn)的關(guān)系。當(dāng)高通量計(jì)算設(shè)計(jì)精度較高，能夠準(zhǔn)確指向一個(gè)特定的方案點(diǎn)時(shí)，就可以直接根據(jù)集成計(jì)算結(jié)果進(jìn)行材料的實(shí)際制備，從而降低了高通量制備與表征的必要性；相反，當(dāng)高通量制備與表征可以迅速而有效地表征大量材料的關(guān)鍵性能參數(shù)時(shí)，則不需要再進(jìn)行大范圍的高通量計(jì)算設(shè)計(jì)。因此，針對不同的問題，高通量計(jì)算設(shè)計(jì)和高通量制備與表征要有針對性地交替或有側(cè)重點(diǎn)地使用。對于測試表征便利但機(jī)理繁雜不明的問題，應(yīng)以高通量制備與表征為主要手段指導(dǎo)理性設(shè)計(jì)；而對于氫脆、蠕變、疲勞等實(shí)際測試表征困難、測試周期長的問題，可盡量以高通量計(jì)算設(shè)計(jì)為主導(dǎo)方式指導(dǎo)理性設(shè)計(jì)。無論是通過傳統(tǒng)大規(guī)模試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)、高通量計(jì)算設(shè)計(jì)還是高通量制備與表征，獲得的結(jié)果都可以通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)歸納與深入挖掘，從而為高通量計(jì)算設(shè)計(jì)和高通量制備與表征提供理性指導(dǎo)。同時(shí)，通過高通量制備與表征手段增加數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)時(shí)刻注意由于小樣品與標(biāo)準(zhǔn)測試樣品間的尺寸差異而導(dǎo)致的性能差異。當(dāng)性能差異較大時(shí)，需要將數(shù)據(jù)分類處理，或進(jìn)行小樣品數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化分析，以保證數(shù)據(jù)之間的可比性。因此，高通量計(jì)算設(shè)計(jì)作為材料基因思想中的三要素之一，具有極其重要的核心作用。本文主要針對現(xiàn)今特殊鋼研發(fā)方面高通量計(jì)算設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

圖1 基于材料基因組思想的材料研發(fā)三要素[1]Fig.1 Three key factors based on “material genome initiative” concept[1]

2 特殊鋼的高通量計(jì)算設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

基于材料基因組思想理念，美國西北大學(xué)的Olson研究團(tuán)隊(duì)于2000～2014年期間通過高通量計(jì)算設(shè)計(jì)，綜合計(jì)算超強(qiáng)鋼中的顯微組織和常規(guī)力學(xué)性能，先后成功研發(fā)了兩種新型超強(qiáng)鋼，其中的S53超強(qiáng)不銹鋼實(shí)際應(yīng)用于軍用飛機(jī)起落架等美國軍事領(lǐng)域，有效減少了特殊鋼的研發(fā)時(shí)間和成本[2]。但Olson研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的特殊鋼偏重軍事應(yīng)用領(lǐng)域，具有較高的技術(shù)敏感性，因此其高通量集成設(shè)計(jì)過程中的大多數(shù)細(xì)節(jié)尚未被公開報(bào)道?；诿绹鞅贝髮W(xué)在材料基因特殊鋼計(jì)算設(shè)計(jì)方面的突出成果，前美國總統(tǒng)奧巴馬于2011年7月正式批準(zhǔn)了“材料基因組計(jì)劃(materials genome initiative，MGI)”[3]?！安牧匣蚪M計(jì)劃”啟動后，受到了世界各科技強(qiáng)國的廣泛關(guān)注，并紛紛展開研究。2011年，歐盟針對合金材料的成分工藝優(yōu)化，啟動了“加速冶金學(xué)(accelerated metallurgy，ACCMET)”項(xiàng)目[4]，旨在探索多元體系合金相圖的建立，進(jìn)而為發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新的合金提供理論支撐。同年11月，日本也啟動了“元素戰(zhàn)略計(jì)劃(elemental strategy project)”，旨在依據(jù)集成計(jì)算與理性設(shè)計(jì)尋找鋼鐵材料中稀有金屬替代元素，以達(dá)到降低稀有金屬在金屬材料中使用量的目的，從而指導(dǎo)未來的合金研發(fā)[5]。材料基因組設(shè)計(jì)思想及高通量計(jì)算理念同樣受到了國內(nèi)研究人員的廣泛重視[1]，“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺”于2016年被列為“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，并開展了基于多種材料的高通量集成計(jì)算平臺建設(shè)，以及相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)示范研究。

2.1 美國西北大學(xué)的超強(qiáng)鋼設(shè)計(jì)

Olson研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)際研制超強(qiáng)鋼時(shí)，通過組建的Questek公司搭建了高通量集成計(jì)算分析平臺，用以綜合設(shè)計(jì)超強(qiáng)鋼“成分工藝-組織結(jié)構(gòu)-宏觀性能-工程生產(chǎn)”的整個(gè)過程。圖2簡要反映了Questek公司高通量集成計(jì)算分析平臺的結(jié)構(gòu)和模塊[6]。整個(gè)集成計(jì)算平臺主要包括“材料設(shè)計(jì)(materials design)”和“應(yīng)用加速(accelerated insertion of materials，AIM)”兩個(gè)關(guān)鍵模塊。每個(gè)模塊中均集成了多種已商用或自編程的軟件?！安牧显O(shè)計(jì)”模塊旨在完成合金成分設(shè)計(jì)和熱處理工藝參數(shù)分析，“應(yīng)用加速”模塊旨在縮短實(shí)驗(yàn)室成果向工程產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化周期?！皯?yīng)用加速”模塊的計(jì)算分析可在一定程度上解決冶煉、鑄造等生產(chǎn)制備過程中的鑄造缺陷、熱撕裂等實(shí)際問題。因此，旨在處理實(shí)際工程問題的“應(yīng)用加速”模塊基本完全使用公認(rèn)的成熟模型或成熟的商用化軟件，主要側(cè)重宏觀層面問題的分析，并未細(xì)致區(qū)分集成計(jì)算手段的尺度差別。然而對于“材料設(shè)計(jì)”模塊，模型主要用于建立“成分工藝-組織結(jié)構(gòu)-宏觀性能”間的關(guān)聯(lián)，涉及明顯的多尺度問題，因此在計(jì)算手段的使用中明顯地區(qū)分了計(jì)算設(shè)計(jì)方法的使用范圍和尺度?！安牧显O(shè)計(jì)”模塊多為自主研發(fā)的模型與軟件，整個(gè)“材料設(shè)計(jì)”模塊形成了典型的多尺度計(jì)算體系。

圖2 多尺度模擬平臺結(jié)構(gòu)簡圖[6]Fig.2 Structure diagram of multi-scale simulation platform[6]

圖3顯示了Questek公司多尺度集成計(jì)算設(shè)計(jì)平臺中“材料設(shè)計(jì)”模塊的計(jì)算體系結(jié)構(gòu)和所包含的主要計(jì)算設(shè)計(jì)手段[7]?！安牧显O(shè)計(jì)”模塊依據(jù)“成分工藝-組織結(jié)構(gòu)-宏觀性能”大體分為3個(gè)不同的計(jì)算尺度，每個(gè)計(jì)算尺度使用不同的計(jì)算理念和方式。在“成分工藝”尺度，以第一性原理為主要的計(jì)算方式，旨在闡明元素成分對晶界/晶面結(jié)合力的影響[8-10]，同時(shí)利用Thermo-Calc、DICTRA等商用熱動力學(xué)軟件分析成分、熱處理工藝對特殊鋼組織結(jié)構(gòu)的影響。在“顯微組織”尺度，以其自主研發(fā)的熱動力學(xué)軟件為核心計(jì)算方式，可分析在奧氏體化、淬火、回火等多步熱處理?xiàng)l件下，材料組織構(gòu)成的變化。Questek公司自編程的熱動力學(xué)軟件包含：基于經(jīng)典形核理論及Langer-Schwartz模型的PrecipiCalc?，用以分析熱處理參數(shù)對晶內(nèi)碳化物析出行為的影響；基于多種熱動力學(xué)經(jīng)典模型及自建數(shù)據(jù)庫的MaDe軟件，旨在分析平衡/亞平衡相含量、穩(wěn)定性等信息。在“宏觀性能”尺度，以有限元和基于多種位錯(cuò)理論的強(qiáng)度計(jì)算模型為主要的計(jì)算分析手段，可分析計(jì)算不同顯微組織對材料力學(xué)性能(主要包括強(qiáng)度和硬度)的影響。同時(shí)，相鄰尺度的計(jì)算結(jié)果是相互關(guān)聯(lián)的，相對微觀尺度下的計(jì)算結(jié)果信息，會作為相對宏觀尺度計(jì)算中的輸入?yún)?shù)，從而通過參數(shù)傳遞建立不同計(jì)算尺度間的銜接，最終形成完整的多尺度高通量集成計(jì)算設(shè)計(jì)平臺。針對斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕等復(fù)雜的材料性能，為避免組織-性能關(guān)系模型建立所帶來的誤差累積，在合金設(shè)計(jì)過程中直接以Ms點(diǎn)、晶界結(jié)合力等關(guān)鍵組織信息為最終設(shè)計(jì)目標(biāo)來評價(jià)其斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕性能，從而提升模擬計(jì)算的指導(dǎo)意義和準(zhǔn)確性。

圖3 多尺度模擬平臺的“材料設(shè)計(jì)”模塊結(jié)構(gòu)簡圖[7]Fig.3 Structure diagram of “materials by design” module in multi-scale simulation platform[7]

在Olson研究團(tuán)隊(duì)建立的研發(fā)體系中，高通量集成計(jì)算設(shè)計(jì)平臺、數(shù)據(jù)庫及高通量制備與表征技術(shù)間形成了有效地交互。Questek公司基于已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了針對馬氏體相變、M2C亞穩(wěn)析出相等組織結(jié)構(gòu)的多種熱動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，基于自建數(shù)據(jù)庫，使用高通量集成計(jì)算設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行材料的相組成調(diào)控與設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果通過擴(kuò)散偶、電弧熔煉等快速實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證其實(shí)際的相組成情況，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)一步反饋給自建數(shù)據(jù)庫，以進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的修正及補(bǔ)充完善。數(shù)據(jù)庫、快速實(shí)驗(yàn)、高通量計(jì)算間的信息交互可有效地保證特殊鋼研發(fā)的高效性和精確性。

Olson研究團(tuán)隊(duì)以Questek公司為支撐，以多尺度高通量集成計(jì)算設(shè)計(jì)平臺為基礎(chǔ)，建立了高Co-Ni二次硬化鋼的設(shè)計(jì)體系與標(biāo)準(zhǔn)，成功研制了S53、M54等具有超高強(qiáng)度、優(yōu)異的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕性能的新型高Co-Ni二次硬化鋼[11-14]。其中S53已成功在部分美國軍用飛機(jī)中應(yīng)用替代了傳統(tǒng)的AerMet100特殊鋼[15-17]，成為了新的高性能飛機(jī)起落架用結(jié)構(gòu)材料，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 新型高性能飛機(jī)起落架用鋼的性能對比[11-14]

2.2 荷蘭代爾夫特大學(xué)的特殊鋼設(shè)計(jì)

歐洲各國的多家研究機(jī)構(gòu)也在進(jìn)行大量關(guān)于特殊鋼高通量計(jì)算設(shè)計(jì)的研究。他們重點(diǎn)探究對硬度產(chǎn)生重要影響的基因信息，如化學(xué)成分、析出物體積分?jǐn)?shù)、平均尺寸等，通過對基因信息的定量化描述，達(dá)到硬度預(yù)測的目的并指導(dǎo)硬質(zhì)合金的研發(fā)[18]。德國亞琛工業(yè)大學(xué)的Bleck等將孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼中的層錯(cuò)能作為基因信息，通過第一性原理等計(jì)算手段進(jìn)行層錯(cuò)能設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步通過孿晶及位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的變化實(shí)現(xiàn)鋼種性能提升[19, 20]。

隨著現(xiàn)今對于金屬材料成分、工藝、組織演化及性能間關(guān)系研究的不斷深化，很多計(jì)算方式都可以通過綜合考慮材料的“基因”和“經(jīng)歷”達(dá)到更為合理的成分工藝設(shè)計(jì)效果，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、第一性原理算法、熱動力學(xué)CALPHAD方法等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)與節(jié)點(diǎn)連接思想的運(yùn)算模型，這種算法可以忽略“基因”和“經(jīng)歷”對材料性能物理本質(zhì)的影響，而直接建立其與性能間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)，這種算法的預(yù)測精度很大程度上依賴于樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量。第一性原理的物理基礎(chǔ)就是計(jì)算原子間結(jié)合力及能量，其與“基因”的本質(zhì)有較高的契合度。同時(shí)，第一性原理也可將“經(jīng)歷”作為一種外場條件，輸入到模型中，反映“經(jīng)歷”的影響，并在一定程度上預(yù)測材料的性能。然而，受處理器計(jì)算能力限制，第一性原理比較擅長處理有限原子數(shù)的團(tuán)簇、納米級析出等規(guī)模相對較小的問題，其成分組成以2～3元為最佳。目前，第一性原理算法尚無法進(jìn)行包含多種合金元素的高強(qiáng)鋼的設(shè)計(jì)。相較以上兩種方法，熱動力學(xué)CALPHAD方法為鋼鐵材料基因設(shè)計(jì)提供了一個(gè)良好的平臺，可計(jì)算基于“基因”和“經(jīng)歷”影響下的組織演化。基于CALPHAD熱動力學(xué)理論的Thermo-Calc軟件為鋼鐵材料設(shè)計(jì)提供了大量的熱動力學(xué)數(shù)據(jù)，保證了設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)。因此，熱動力學(xué)CALPHAD方法已成為開發(fā)新合金的主要指導(dǎo)方法，它也更適用于基于“基因”和“經(jīng)歷”影響的高強(qiáng)不銹鋼設(shè)計(jì)[21]。

在傳統(tǒng)熱力學(xué)理論中，成分等“基因”影響可以通過熱力學(xué)理論直接進(jìn)行分析，而工藝等“經(jīng)歷”影響則需要通過其他理論予以補(bǔ)充分析。而現(xiàn)今的熱動力學(xué)理論已經(jīng)可以整合“基因”和“經(jīng)歷”的影響，綜合分析在其共同作用下的顯微組織演化過程，并進(jìn)一步利用物理冶金原理分析組織演化與性能間的關(guān)聯(lián)。這種綜合的合金設(shè)計(jì)方法使我們能夠同時(shí)設(shè)計(jì)和優(yōu)化“基因”與“經(jīng)歷”參數(shù)。作為一種相對成熟的計(jì)算方法，熱動力學(xué)法已經(jīng)可以分析不同處理工藝(奧氏體化、時(shí)效等)溫度、時(shí)間對析出物粗化速率的影響，還可以在分析不同基體組成(鐵素體、馬氏體或奧氏體)引起的固溶強(qiáng)化的同時(shí)，分析不同析出物(碳氮化物MX和金屬間化合物Ni3Ti)引起的沉淀強(qiáng)化，從而探索新型不銹鋼成分工藝[22]。近年來，這種方法已被成功應(yīng)用于指導(dǎo)先進(jìn)超高強(qiáng)度不銹鋼、抗蠕變不銹鋼等特殊鋼的設(shè)計(jì)，并取得了較好的設(shè)計(jì)成果[23-25]。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的區(qū)別在于，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往局限于對析出相強(qiáng)化或粗化的控制，由于析出與固溶的競爭關(guān)系，很難通過實(shí)驗(yàn)或者局部計(jì)算獲得整體設(shè)計(jì)。而熱動力學(xué)理論通過整體計(jì)算設(shè)計(jì)的思路可以很好地協(xié)調(diào)并且設(shè)計(jì)兩者的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)其協(xié)同優(yōu)化。因此，此設(shè)計(jì)方式是針對基于全流程若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的特征組織建立模型，而不是全流程的組織演化，這樣可以有效地規(guī)避鋼鐵制備流程中涉及的大量繁瑣的工藝，為針對制備流程復(fù)雜的鋼鐵材料基因應(yīng)用提供可行的解決思路。

高強(qiáng)不銹鋼成分與熱處理工藝耦合設(shè)計(jì)方式遵循從目標(biāo)到方法的路線，因此整個(gè)分析順序?yàn)椤皯?yīng)用→性能→組織→成分工藝”。如圖4所示，此設(shè)計(jì)方式的執(zhí)行高度依賴于兩個(gè)關(guān)鍵步驟：“組織/性能轉(zhuǎn)換”和“特征組織獲取”[25]?！敖M織/性能轉(zhuǎn)換”需要建立起目標(biāo)性能與鋼種顯微組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，“特征組織獲取”需要建立起理想的組織結(jié)構(gòu)與合金成分(“基因”)及熱處理工藝(“經(jīng)歷”)間的關(guān)聯(lián)[23]。在進(jìn)行先進(jìn)不銹鋼設(shè)計(jì)時(shí)，先通過“組織/性能轉(zhuǎn)換”，使用已知的顯微組織結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系將所需的性能(如強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、表面氧化腐蝕性強(qiáng)等)轉(zhuǎn)化為理想的組織目標(biāo)；然后，通過“特征組織獲取”，綜合考慮工藝/服役條件，使用熱動力學(xué)及其他物理冶金學(xué)原理評價(jià)“基因”和“經(jīng)歷”影響，最終將目標(biāo)組織轉(zhuǎn)化為基于成分工藝參數(shù)的定量評價(jià)準(zhǔn)則，從而為下一步的計(jì)算優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

圖4 高強(qiáng)不銹鋼成分與熱處理工藝耦合設(shè)計(jì)流程圖[25]Fig.4 Flow chart for coupling design of composition and heat treatment process of high-strength stainless steel[25]

在定量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面，研究通過“組織/性能轉(zhuǎn)換”和“特征組織獲取”步驟，形成了比較完整的“成分工藝-組織-性能”關(guān)聯(lián)性關(guān)系，從而形成了多個(gè)判斷及定量評價(jià)準(zhǔn)則。其中，所使用的計(jì)算評價(jià)準(zhǔn)則一般分為必要準(zhǔn)則和優(yōu)化準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)過程中首先使用必要準(zhǔn)則進(jìn)行評估，消除不合理的解決方案，然后使用優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行評估，以獲得最佳的解決方案。

在形成了完整的“成分工藝-組織-性能”關(guān)聯(lián)性關(guān)系并建立了判斷及評價(jià)準(zhǔn)則之后，最終通過遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。為了避免初始解對于優(yōu)化的約束以及優(yōu)化過程陷入局部最優(yōu)的情況，遺傳算法不使用特定的參考成分作為初始值。而且，遺傳算法可以有效進(jìn)行多目標(biāo)的尋優(yōu)，從而更有效地搜索全局較優(yōu)解，基于生物學(xué)優(yōu)勝劣汰原則進(jìn)行優(yōu)勢基因的快速篩選，通過高通量計(jì)算在極大的成分工藝搜索范圍內(nèi)獲得解決方案(耦合成分和熱處理參數(shù))。

基于上述設(shè)計(jì)理念，以耐熱鋼為示范體系，在考慮其他必要組織特征準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，針對鐵素體、奧氏體與馬氏體基體，通過高通量計(jì)算分別協(xié)同優(yōu)化了固溶強(qiáng)化與MX析出強(qiáng)化的匹配關(guān)系，得到的理想成分工藝設(shè)計(jì)方案如圖5所示[25]。圖5中的每一個(gè)點(diǎn)均代表一個(gè)可行的解決方案，而不同的顏色分別代表不同基體組織的不銹鋼體系。每一個(gè)解集范圍的右上方邊緣部分就代表針對該不銹鋼體系的Pareto前沿，每個(gè)解均可以清晰地對應(yīng)得到其析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化貢獻(xiàn)。圖中同時(shí)顯示了現(xiàn)存的馬氏體、鐵素體及奧氏體不銹鋼的固溶強(qiáng)化及析出強(qiáng)化作用。從計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果與現(xiàn)存的實(shí)際鋼種對比情況可知，設(shè)計(jì)得到的高強(qiáng)不銹鋼成分工藝方案比現(xiàn)存的鋼種具有更好的析出強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化效果[25]。此外，從計(jì)算結(jié)果中可以看出，不同不銹鋼體系中各因素表現(xiàn)出的強(qiáng)化貢獻(xiàn)有明顯的差異：奧氏體鋼中析出強(qiáng)化效果極佳，而固溶強(qiáng)化貢獻(xiàn)率較低；鐵素體鋼中則是固溶強(qiáng)化效果明顯，析出強(qiáng)化效果貢獻(xiàn)率較低；而馬氏體鋼則具有最佳的析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化綜合作用。

圖5 協(xié)同優(yōu)化NbX析出強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化的高強(qiáng)不銹鋼設(shè)計(jì)結(jié)果[25]Fig.5 The high-strength stainless steel design by NbX precipitation and solid solution optimization[25]

因此，以熱動力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合遺傳算法等優(yōu)化計(jì)算手段，可以實(shí)現(xiàn)鋼鐵材料合金成分與處理工藝的耦合式設(shè)計(jì)。在高強(qiáng)不銹鋼方面，此設(shè)計(jì)方法已形成比較系統(tǒng)完善的計(jì)算設(shè)計(jì)流程和標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)針對奧氏體、鐵素體、馬氏體基體多種不銹鋼體系的成分工藝優(yōu)化。通過綜合分析鋼種中固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的貢獻(xiàn)，得到的不銹鋼成分工藝設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有良好的吻合性。此設(shè)計(jì)方法不但可以用于輔助高強(qiáng)不銹鋼中的析出物優(yōu)化，同時(shí)還可以指導(dǎo)新型高強(qiáng)不銹鋼的成分工藝設(shè)計(jì)，減少研發(fā)成本并縮短研發(fā)周期。

2.3 其他特殊鋼高通量設(shè)計(jì)

克萊姆森大學(xué)Grujicic團(tuán)隊(duì)在“材料設(shè)計(jì)”方法基礎(chǔ)上，利用兩級材料設(shè)計(jì)優(yōu)化方案來重新設(shè)計(jì)具有改進(jìn)力學(xué)性能(強(qiáng)度、斷裂韌性)、可加工性和耐腐蝕性的高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼[26]。“材料設(shè)計(jì)”方法將材料視為一個(gè)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)輔助分析、預(yù)測工具和可利用的材料數(shù)據(jù)庫來設(shè)計(jì)和開發(fā)新材料，是“材料基因組計(jì)劃”的一個(gè)組成部分。該團(tuán)隊(duì)在兩級材料設(shè)計(jì)優(yōu)化方案中應(yīng)用多學(xué)科諸如材料熱力學(xué)、相變動力學(xué)以及變形和斷裂物理計(jì)算模型和數(shù)據(jù)庫，并以HSLA-100鋼為例對模型進(jìn)行驗(yàn)證。

材料設(shè)計(jì)的問題被視為具有明確定義目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化問題，然后使用全局優(yōu)化算法來探索設(shè)計(jì)空間并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過程[27]。兩級設(shè)計(jì)優(yōu)化過程流程圖如圖6所示。在兩級設(shè)計(jì)優(yōu)化方案下，系統(tǒng)級與鋼整體相關(guān)聯(lián)，而子系統(tǒng)級與鋼的顯微組織成分相關(guān)聯(lián)，兩層級間實(shí)現(xiàn)信息交換。系統(tǒng)級目標(biāo)函數(shù)被定義為單位質(zhì)量的材料成本，優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)其最小化，約束條件主要為最小屈服強(qiáng)度和斷裂韌性滿足目標(biāo)值。除此之外還包括其他約束限制條件，如最大C含量、最低Ni含量、最低Cr含量、臨界淬透性范圍和最大微觀偏析范圍，這些約束條件均為確定數(shù)值以保證材料可獲得足夠的強(qiáng)化和目標(biāo)性能，如良好的可焊性、熱成形性等。系統(tǒng)級下設(shè)計(jì)變量為鋼的化學(xué)組成，同時(shí)化學(xué)組成作為信息傳遞給子系統(tǒng)級。子系統(tǒng)級目標(biāo)函數(shù)為一個(gè)特定的復(fù)合函數(shù)，它是材料強(qiáng)度和斷裂韌性的加權(quán)組合，通過優(yōu)化算法可實(shí)現(xiàn)其最大化。HSLA-100鋼的強(qiáng)度被認(rèn)為是基體固有強(qiáng)度和析出附加強(qiáng)化(M2C碳化物、體心立方結(jié)構(gòu)Cu團(tuán)簇)的疊加結(jié)果。HSLA-100鋼的斷裂韌性通過相對堅(jiān)韌的貝氏體基體和彌散奧氏體相變韌化來實(shí)現(xiàn)。Grujicic等對以上強(qiáng)度和斷裂韌性進(jìn)行了詳細(xì)討論，并利用一系列熱動力學(xué)、變形和斷裂物理計(jì)算模型，最終得到子系統(tǒng)級目標(biāo)函數(shù)。HSLA鋼的回火處理包括兩個(gè)步驟：較高溫度下回火確保M2C碳化物、體心立方結(jié)構(gòu)Cu團(tuán)簇和奧氏體大量存在；較低溫度下回火確保析出相具有足夠的體積分?jǐn)?shù)及理想的熱力學(xué)穩(wěn)定性。子系統(tǒng)級約束條件包括兩步回火下析出最小熱力學(xué)驅(qū)動力、析出最小平衡體積分?jǐn)?shù)以及第二步回火下奧氏體平衡化學(xué)組成滿足目標(biāo)值。子系統(tǒng)級設(shè)計(jì)變量為兩步回火溫度、強(qiáng)度及斷裂韌性，同時(shí)這些變量作為信息傳遞到系統(tǒng)級。

如圖6所示，首先在系統(tǒng)級程序下選擇滿足系統(tǒng)級約束條件(成分約束)的試驗(yàn)合金組成傳遞到子系統(tǒng)級。到達(dá)子系統(tǒng)級后，選擇第一步回火溫度以滿足析出驅(qū)動力約束條件，選擇第二步回火溫度以滿足析出體積分?jǐn)?shù)及奧氏體穩(wěn)定性約束條件。利用以上過程所得參數(shù)作為輸入?yún)?shù)計(jì)算子系統(tǒng)級目標(biāo)函數(shù)，并利用模擬退火優(yōu)化算法尋找目標(biāo)函數(shù)最大值。選擇滿足系統(tǒng)級約束條件(強(qiáng)度、斷裂韌性約束)的試驗(yàn)合金組成計(jì)算系統(tǒng)級目標(biāo)函數(shù)，并利用遺傳算法尋找目標(biāo)函數(shù)極小值。以上程序執(zhí)行后，輸出合金成分、兩步回火溫度及與約束條件相關(guān)的結(jié)果。

圖6 HSLA-100鋼設(shè)計(jì)的兩級優(yōu)化過程流程圖[27]Fig.6 Flow chart of the two-level optimization procedure for designing HSLA-100 steel[27]

Grujicic等以HSLA-100鋼為例對兩級設(shè)計(jì)優(yōu)化方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明采用所開發(fā)的預(yù)測模型計(jì)算的性能結(jié)果和現(xiàn)有HSLA-100鋼性能均值有較高的契合度，利用“材料設(shè)計(jì)”方法設(shè)計(jì)的HSLA鋼具有較好的實(shí)用性。因此，采用此方法對HSLA鋼進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，得到了Fe-0.23C-3.4Cu-6.5Ni-2.0Cr-0.29Mo-0.22V的最佳合金組成(原子數(shù)分?jǐn)?shù)，%)以及838和718 K的兩步回火溫度，其滿足系統(tǒng)級和子系統(tǒng)級約束條件，并且利用所開發(fā)的預(yù)測模型對此最佳成分進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與HSLA-100鋼已有性能數(shù)據(jù)有較高的一致性。

熱動力學(xué)可以通過綜合考慮材料的“基因”和“經(jīng)歷”以達(dá)到更為合理的成分工藝設(shè)計(jì)效果。此外，其他計(jì)算方式如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以實(shí)現(xiàn)對鋼鐵材料的設(shè)計(jì)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常被用來建立鋼成分及工藝參數(shù)和組織、性能之間的關(guān)系模型[28-30]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的本質(zhì)是建立變量間的回歸關(guān)系，需與其他優(yōu)化算法結(jié)合(如遺傳算法)才能用于材料設(shè)計(jì)。Datta等在此方面做了大量研究工作[31-35]，他們以優(yōu)化低碳鋼、HSLA鋼、相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)鋼等的強(qiáng)度和塑性為目標(biāo)，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和多目標(biāo)遺傳算法分析各變量對鋼性能的影響，以實(shí)現(xiàn)輔助設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，印度CSIR國家冶金實(shí)驗(yàn)室使用此方法設(shè)計(jì)了微合金化管線鋼[36]。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和多目標(biāo)遺傳算法預(yù)測研究成分和工藝參數(shù)對管線鋼性能的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)具有改進(jìn)的強(qiáng)度、沖擊韌性和延展性的微合金化管線鋼，其計(jì)算設(shè)計(jì)方法流程如圖7所示。收集大量管線鋼的數(shù)據(jù)，并指定合金成分和控軋控冷(TMCP)工藝參數(shù)作為輸入?yún)?shù)，指定屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和沖擊功作為輸出參數(shù)，進(jìn)而訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型。采用這些模型作為多目標(biāo)遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)，進(jìn)而解得Pareto前沿。對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型各輸入?yún)?shù)進(jìn)行分析，以獲得研究成分、工藝等參數(shù)對管線鋼性能的影響，而Pareto前沿則揭示了最佳目標(biāo)性能下的成分、工藝參數(shù)范圍，這些都有助于設(shè)計(jì)具有優(yōu)異綜合性能的管線鋼。

圖7 微合金化管線鋼計(jì)算設(shè)計(jì)方法流程圖[36]Fig.7 Flow chart of the computational methodology adopted for designing microalloyed pipeline steel[36]

隨著材料領(lǐng)域正趨于同大數(shù)據(jù)時(shí)代接軌，對大數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)處理能力的機(jī)器學(xué)習(xí)也不斷受到學(xué)者的關(guān)注。以上基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的特殊鋼設(shè)計(jì)方法本質(zhì)上利用了機(jī)器學(xué)習(xí)算法。機(jī)器學(xué)習(xí)可以基于概率統(tǒng)計(jì)精準(zhǔn)建立起成分/工藝與顯微組織之間的關(guān)系，從而有效地避開不明物理機(jī)制對模型精度的影響。除人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法外，更多種類的機(jī)器學(xué)習(xí)算法也被使用，西安交通大學(xué)薛德禎團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室通過將支持向量回歸算法(SVR)與全局優(yōu)化算法相結(jié)合成功構(gòu)建出自適應(yīng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出具有低熱滯的形狀記憶合金[37, 38]；東南大學(xué)王金蘭團(tuán)隊(duì)通過將梯度提升回歸算法(GBR)與第一性原理相結(jié)合，高效設(shè)計(jì)出穩(wěn)定的無鉛有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦材料[39]。盡管許多先進(jìn)材料已經(jīng)通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法被成功設(shè)計(jì)，但隨著研究的不斷深入，一些問題也凸顯出來。機(jī)器學(xué)習(xí)算法種類繁多，雖然傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的選擇差異與細(xì)節(jié)優(yōu)化一般不會帶來計(jì)算準(zhǔn)確性上的突變，但是會對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)樣本的質(zhì)量和數(shù)量產(chǎn)生較大的影響。高質(zhì)量、大樣本量的數(shù)據(jù)庫是機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，但材料領(lǐng)域?qū)I(yè)數(shù)據(jù)庫的建立仍處于起步階段，高質(zhì)量數(shù)據(jù)的匱乏一定程度限制了機(jī)器學(xué)習(xí)算法在材料設(shè)計(jì)中的發(fā)展。此外，基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的材料設(shè)計(jì)本質(zhì)上只是基于單純數(shù)學(xué)算法的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程往往缺失物理冶金學(xué)的參與和指導(dǎo)。因而將傳統(tǒng)的物理冶金模型與機(jī)器學(xué)習(xí)算法有效融合使其優(yōu)勢互補(bǔ)也是該領(lǐng)域亟待解決的問題。

基于世界范圍內(nèi)材料基因設(shè)計(jì)研究的興起，我國對于基于高通量計(jì)算的材料設(shè)計(jì)的重視程度日益提升，基于材料基因思想的材料設(shè)計(jì)研究已被列為“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。其中，2018年立項(xiàng)的“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)項(xiàng)目“基于理性設(shè)計(jì)的高端裝備制造業(yè)用特殊鋼研發(fā)”針對高鐵車軸鋼的超高周疲勞和液化天然氣(LNG)儲運(yùn)用鋼的超低溫、高強(qiáng)韌性等關(guān)鍵性能要求，在考慮復(fù)雜使用環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等多因素限制條件下，擬對兩類鋼的多層級復(fù)雜組織進(jìn)行精確調(diào)控，明確組織性能控制單元，基于數(shù)據(jù)庫及其分析技術(shù)建立兩類鋼關(guān)鍵性能與復(fù)雜組織的相關(guān)性規(guī)律。項(xiàng)目擬采用材料基因組的高通量計(jì)算設(shè)計(jì)、高通量制備與表征和數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)，解決兩類鋼種優(yōu)化研發(fā)過程中的關(guān)鍵科學(xué)問題。該項(xiàng)目是我國大力推進(jìn)特殊鋼的高通量計(jì)算與設(shè)計(jì)的典型代表。

作者團(tuán)隊(duì)在基于材料基因思想的特殊鋼研發(fā)方面融合了多種理念，提出了采用基因庫與知識庫相結(jié)合的方式。在材料成分工藝和組織間關(guān)系方面構(gòu)建基因庫，以材料熱力學(xué)信息為本質(zhì)基因，通過以材料熱力學(xué)為基礎(chǔ)的物理機(jī)理模型計(jì)算特種鋼組織演化。通過組織演變高通量集成計(jì)算理論，獲取組織過程參量，匯聚基因信息，基于多目標(biāo)、多參量、進(jìn)化式合金設(shè)計(jì)理論，通過熱力學(xué)數(shù)據(jù)、過程參量、遺傳進(jìn)化高通量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)成分與工藝耦合設(shè)計(jì)與優(yōu)化。在材料組織和性能間關(guān)系方面構(gòu)建知識庫，知識庫主要依靠組織性能映射關(guān)系的構(gòu)建、結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)循環(huán)判定，建立組織與性能間的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)定量關(guān)系?；诓牧仙顚哟涡畔⑼诰虻牟牧闲畔W(xué)理論，通過組織與工藝、性能數(shù)據(jù)采集與深度挖掘，形成數(shù)字化多關(guān)聯(lián)知識。同時(shí)，發(fā)展關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高通量采集與數(shù)據(jù)擴(kuò)展技術(shù)。通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、增加采樣密度和數(shù)據(jù)加工實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的匯聚。如圖8所示，作者團(tuán)隊(duì)基于高通量計(jì)算與設(shè)計(jì)的特殊鋼研發(fā)體系可形成數(shù)據(jù)庫技術(shù)、多尺度模擬表征和高通量表征技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，研發(fā)模式形成完整的邏輯閉環(huán)。在數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)、高通量計(jì)算設(shè)計(jì)、高通量制備與表征3方面創(chuàng)新研究基礎(chǔ)充分協(xié)同的基礎(chǔ)上，構(gòu)建高強(qiáng)鋼基因知識庫及智慧研發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)我國特殊鋼的高性能、高服役安全、高效研發(fā)和低成本。

圖8 基于材料基因思想的特殊鋼研發(fā)體系Fig.8 Research and development system of special steel based on MGI

3 結(jié) 語

綜上，美國、歐洲、日本等各國在特殊鋼高通量計(jì)算與設(shè)計(jì)方面均已有突出成果，但其在對于可視化數(shù)據(jù)采集、知識庫系統(tǒng)的運(yùn)用等方面尚存在較大的提升空間。因此，我國應(yīng)進(jìn)一步致力于基于材料基因思想的特殊鋼高通量計(jì)算與設(shè)計(jì)，發(fā)展高通量集成計(jì)算、組織計(jì)算機(jī)可視化和數(shù)據(jù)高通量采集、機(jī)器學(xué)習(xí)和高通量表征等關(guān)鍵理論與技術(shù)，通過特殊鋼基因庫與知識庫的逐步完善，實(shí)現(xiàn)特殊鋼的智慧研發(fā)。特殊鋼的高通量計(jì)算與設(shè)計(jì)的研究不但可以促進(jìn)特殊鋼的更新?lián)Q代，更會為我國乃至世界金屬材料的高速發(fā)展提供支撐與保障。

致謝：感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“面向特殊鋼的基于高通量計(jì)算的理性設(shè)計(jì)”(2017YFB0703001)的支持。感謝上海交通大學(xué)金學(xué)軍教授、西北工業(yè)大學(xué)劉峰教授、北京科技大學(xué)尚成嘉教授、羅海文教授等在材料基因思路方面的指導(dǎo)與交流。