历经数十年的发展，计算材料学已成为与实验和理论同等重要的研究手段。集成材料计算已实现跨越多时间尺度和空间尺度来研究材料的行为，同时发展了微观-介观-宏观尺度的系列模型方法和计算工具(见图1)。其中宏观尺度的广义有限元方法是工程问题的主要数值模拟工具；在微米与亚微米的介观尺度，相场、Monte Carlo、元胞自动机等方法可用于模拟材料的微观组织演化过程，动态揭示相变和晶粒生长机制；而在原子尺度，分子动力学方法可用于研究微观尺度的物理现象和元素交互作用机制；基于密度泛函理论的第一性原理计算(也叫从头算)可进一步研究材料在原子层次的电子和声子等相互作用、晶体结构与各类缺陷等及材料各类性质等。这些模型和计算工具是建立在对复杂物理现象及机理深层理解基础上的，引导科研工作者对复杂物理现象、不同物理和化学过程之间的相互作用以及体系各类性质和服役行为等进行更深层的阐述，以此指导实验，并预测和设计新合金，发现新性能等。在金属材料研究领域，可以依赖强大的计算能力、复杂的模拟手段和先进的数值算法实现对材料工艺、组织结构与性能的预测，进而优化材料的加工过程，获得较佳的材料使役性能等。换句话说，计算材料学让经典的物理冶金学焕发了新的活力。

金属材料制备工艺过程涉及从上游的金属冶炼到下游构件成形的整个流程，是极其复杂的高温、动态与瞬时的物理冶金过程。在此过程中，材料会历经冶炼、铸造、锻造、焊接、热处理、热轧与冷轧等成形过程，涉及液/固与固/固相变等一系列复杂的物理化学转变。为了获得优质构件，就必须优化制备工艺使金属材料的成分、工艺、组织与性能处于最佳状态，同时控制缺陷至可接受的尺寸或者直接消除宏观缺陷。虽然传统制备工艺的成形方法不同，但决定因素是一致的，即成分、工艺、组织与性能之间的协同关系，这为计算材料学在传统的材料制备工艺中的应用提供了巨大的发展潜力。事实证明，材料制备工艺的计算机模拟能比较准确地预测材料制备过程中的各种场变量、组织性能、缺陷信息及设备载荷等，实现对制备工艺的优化与设计，突破了以大量经验积累和简单循环试错为特征的“经验寻优”的传统研究模式。

2008年，美国国家研究理事会(National Research Council)发表了题为集成计算材料工程 (integrated computational materials engineering，ICME)的报告，明确指出了当前材料设计的方法和面临的问题，同时提出了一个崭新规划，即ICME。ICME“旨在把计算材料学的工具集成为一个整体系统以加速材料的开发，优化工程设计过程，并把设计和制造统一起来”。其目标是在材料实际制备之前就实现材料、制造过程和构件的计算优化。ICME包罗了多尺度方法及其与多尺度建模、材料信息学的融合，是基于工程化目的提出的新的研究框架。ICME以实验数据、计算与模拟和材料数据为基本要素，通过制备工艺全流程建模、模型验证及优化，基础实验数据测试与标准化、数据库建设等，将多尺度计算模拟工具、实验工具和数据库相互融合，实现材料制备工艺的优化及智能控制，进而构建产品的基础性设计平台。

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图1   计算材料方法与空间、时间尺度的对应关系

Fig.1   Spatial and temporal correspondences of the computational materials methods (FEM—finite element method)

近年来提出的材料基因组计划更是把材料计算推向了新高度，它的突出特征是材料的高通量计算。与材料高通量制备、高通量表征和数据库结合，从而实现材料设计与制备时间减半、成本减半的目标。通过过程可视化和工艺优化，计算机模拟将以往的“事后分析”提前到“事前预报”，进而最大限度地提高材料的合格率和材料利用率，缩短核电、航空航天等关键材料的研制与制造周期。而计算机硬件和运算速度的飞速发展为金属材料制备工艺的计算机模拟提供了保障。为了让计算机模拟发挥更好的作用，需将模拟与工艺设计相结合，模拟与生产实践相结合。随着计算能力的提升和高纯净高均质制备技术的发展，金属材料制备工艺的计算机模拟将从以往的缺陷预报、性能预测等经验模型的构建，发展到从第一原理出发深度研究缺陷的起源、元素的作用规律、相变的本质等，使金属结构材料的研究更加深入，提高其使用寿命和运行的可靠性。

我国在金属材料制备工艺的计算模拟领域已经取得了众多研究结果，许多领域的计算模拟工作已达到了国际先进水平，有力地指导了材料制备工艺过程，并创造了显著的经济和社会效益。此次《金属学报》筹办以金属材料制备工艺的计算机模拟为主题的专刊，旨在总结目前国内已取得的研究结果，并展望该领域未来的发展方向。专刊汇聚了我国在相关研究领域作出突出工作的12所大学和研究机构的13篇综述和4篇研究论文，介绍了在材料制备工艺建模与材料计算方面的最新进展，内容涵盖冶炼、连铸、压铸、挤压成型、搅拌摩擦焊等多种制备工艺，从宏观、介观到微观构建了多尺度模型，对多种合金体系和多场作用下的材料演化行为进行了系统模拟。期望本次专刊的出版能对我国计算材料学的发展起到重要的推动作用。

The authors have declared that no competing interests exist.