Page 60 - 国外钢铁技术信息内参（2024年9月）

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（四）热力学的基本原理和最新研究进展（下）

宮 本 吾 郎 ᇏݓࣁඋ࿐߶

东北大学 金属材料研究所
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4.铁合金热力学-第一性原理计算等研究的最新进展

马氏体、贝氏体等低温相变组织对于提高钢铁材料强度的重要性日益凸显。

由于低温条件下达到相平衡所需时间较长，且难以进行实验，因此仅能通过高 ᇏݓࣁඋ࿐߶

温条件下所获得的实际测量数据进行外推。此外，达到相平衡前材料通常处于
衡和相图计算。 ᇏݓࣁඋ࿐߶
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亚稳态（如马氏体正方晶、 / 碳化物等），因此，应将亚稳态作为热力学设

计中的重要步骤。另外，固溶体内部也会由于元素之间的相互作用以及晶格缺

陷的影响存在原子不均匀现象，进而影响材料的力学性能。亚稳态和原子的相

互作用难以实际测量，第一性原理计算的应用使该问题的解决取得了重大进展。
第一性原理计算（First Principles Calculation/Ab-initio Calculation/DFT（Density

Functional Theory ） Calculation ） 是 完 全 根 据 量 子 力 学 原 理 求 解 稳 态 下 的
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Schrödinger 方程，无需依赖实验值等经验值，具体内容请参阅相关文献。通过第
一性原理计算，能够准确求出 0K 时的基态物理性能值。此外，还可以通过计

算晶格振动（声子）情况确定有限温度条件下的稳定性值，并通过簇膨胀-变量

法获得多体原子簇的相互作用熵，进而进行有限温度下多元系的自由能、相平

对于单位晶胞所含原子数为 10 个左右的晶体，第一性原理计算的成本较低，

而且即使使用个人电脑也能在短时间内完成计算，可计算范围包括电子态、晶
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体结构、能量、晶格常数和弹性常数等。比如，美国 Materials Project 已经利用

该方法收集了超过 14 万种无机化合物的数据。根据从该数据库中所提取的钢铁
材料主要碳氮化物生成焓发现，元素周期表中左族元素的碳氮化物比 Fe 碳氮化

物更为稳定（如图 14 所示），但其中的 Si 和 Al 氮化物却有异于其他元素且异
常稳定，并且所有元素的碳化物均比氮化物更为稳定，这一发现非常有利于各

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CSM 中国金属学会 CMISI 冶金工业信息标准研究院

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