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产学研用协同的高通量材料计算平台的硬质合金研发应用成果展示

通过交叉融合高通量计算、高通量实验和材料信息学技术，可极大地加速材料设计和新材料研发的进程。经过多年的发展，不同尺度上的材料计算模拟方法已拥有丰富的工具并产生了广泛的应用。然而，长期以来材料计算领域存在的共性难题是缺乏物性参量统一的多尺度计算模型；已有的不同尺度的计算方法之间无法实现同一类参量在不同尺度之间数据的融合贯通。

依托国家重点研发计划“材料基因工程关键技术与支撑平台重点专项”，国家超级计算天津中心等十家单位打造了中国材料基因工程高通量计算平台CNMGE（The High-Throughput Computational Platform of Chinese Materials Genome Engineering）（http://mathtc.nscc-tj.cn），已在线上面向用户运行。

近期，该平台集成了北京工业大学宋晓艳教授团队在国际上首创的多元多相复合材料力学行为的多尺度计算模型（美国专利16/980,370，Multi-scale method for simulating mechanical behaviors of multiphase composite materials）。该团队以复合材料对外力场的响应过程为例，探索了以内禀统一的研究对象和变量组合构建从纳观、微观、介观到宏观的多尺度计算模型；与中国工程物理研究院计算机应用研究所合作，实现了多重跨尺度数据的传输、融合，解决了单一尺度计算模拟数据匮乏和跨尺度模型统一耦合的难题。基于此，建立了以硬质合金为代表的多元多相复合材料多尺度设计和服役性能预测的量化研究系统。

多尺度计算分析硬质合金材料中的应力分布和应变响应

硬质合金是一种典型的金属-陶瓷复合材料，是以一种或多种高熔点、高硬度、高弹性模量的难熔金属碳化物为基体，以过渡金属或合金作粘结剂，采用粉末冶金方法制备的多相复合材料，综合了硬质相和粘结相的优良性能，从而具有高硬度、耐磨性、高强度和良好的化学稳定性，是切削加工、矿山采掘、石油钻探、国防军工等领域不可或缺的重要材料，号称“工业的牙齿”。由于它的硬质相和粘结相之间的物性参数差异大，尤其是热膨胀系数的差异造成烧结过程中产生较大的残余应力，以及它与外加应力的交互作用会显著影响材料服役过程中的力学行为和使用性能。

经过研究探索，利用聚焦离子束技术构建了基于硬质合金真实微观组织结构的材料三维模型，实现了微观-介观-宏观尺度的参数传输，发现制备态和服役态硬质合金中均存在不均匀的应力分布和应变响应现象，揭示了微观组织结构-变形行为-力学性能之间的关联规律，对材料服役构件的失效行为给出了全面描述，并提出了高强韧硬质合金的设计新思路。

北京工业大学宋晓艳教授团队多年来从事高性能硬质合金的研究工作，开发出系列高强韧、耐磨蚀硬质合金材料和制品，其中，以WC-12Co产品为例，横向断裂强度平均值达到5230 MPa，为目前国际上报道的同成分合金、同种测试标准下断裂强度的最高性能指标。在CNMGE平台的支持下，面向工程应用需求，以多尺度计算模拟和材料设计基础研究为指导，北京工业大学与企业合作，批量制备出多种高强高韧、可应用于高温服役环境的硬质合金新材料产品。