功能梯度材料（FGMs）是一类成分精准渐变的先进材料，通过微观结构梯度化设计以满足功能需求，实现性能间的平滑过渡 。这类材料具有独特的组分相空间分布特征，涵盖金属、陶瓷、聚合物等多种组分相，可提供定制化的形貌与成分性能，相比其他复合材料具有显著优势。不锈钢与镍基合金具备成熟的力学性能，其中不锈钢具有优异的耐腐蚀性、塑性、韧性及可焊性，镍基合金则具备高强度与抗氧化性。将不锈钢与镍基合金结合可提升部件性能并降低成本 。伊朗塔比阿特莫达雷斯大学研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表重要成果，成功解析了碳钢 - 316L 不锈钢 - Inconel 625 功能梯度材料（FGMs）的微观结构与物相演变规律。该研究通过 “模拟预测 - 实验验证” 的闭环方案，首次实现了多组元梯度材料相组成、形成温度及元素分布的精准把控，为增材制造高性能功能梯度材料提供了高效研发路径，推动了多组元复合材料在航空航天、高端制造等领域的应用进程。
1. 研究背景：功能梯度材料研发的核心挑战与软件赋能需求
功能梯度材料（FGMs）凭借成分与性能的梯度过渡特性，在复杂工况场景中具有不可替代的优势。其中，碳钢 - 316L 不锈钢 - Inconel 625 梯度材料巧妙结合了碳钢的低成本、316L 不锈钢的优异耐腐蚀性与 Inconel 625 的高温高强度，但其多组元、多界面的复杂特性，给微观机制研究带来不小挑战。
传统研究依赖大量热处理、微观表征等实验摸索，不仅研发周期长、成本高，还难以精准捕捉物相演变与温度、成分之间的量化关系。而热力学模拟技术的引入，为突破这一困境提供了关键支撑 —— 通过专业计算工具集成的镍基高温合金、不锈钢等丰富数据库，可基于成分与温度参数提前锁定物相形成的关键温度节点、元素偏聚规律，大幅减少盲目实验，让研发过程更具针对性。中仿 JMatPro 软件作为专业的材料热力学计算平台，集成了镍基高温合金、不锈钢等丰富数据库，能够基于成分与温度参数，精准预测相转变序列、相分数及关键热物理性能，为突破这一困境提供了关键工具 —— 其可提前锁定物相形成的关键温度节点、元素偏聚规律，大幅减少盲目实验，缩短研发周期。
2. 实验方法：JMatPro 引领的 “模拟 - 实验” 协同研究方案
2.1 材料制备与表征
研究团队采用电弧增材制造（WAAM）技术制备功能梯度材料，内层为碳钢、中间层为 316L 不锈钢、表层为 Inconel 625，通过 FE-SEM（场发射扫描电子显微镜）和 EDS（能量色散光谱仪）进行微观结构表征与元素分析，不同材料分别采用专属蚀刻试剂（碳钢用 Nital 试剂、316L 不锈钢用大理石试剂、Inconel 625 用 3:1 HCl:HNO₃混合试剂）确保表征清晰度。
2.2 模拟与实验的协同设计
研究采用热力学模拟与实验表征相结合的方式推进：先导入三种基体材料及界面的化学组成数据（如 Inconel 625 含 21.07wt% Cr、7.79wt% Mo、3.27wt% Nb 等），通过中仿JMatPro软件预测相转变序列、相分数及元素分布规律，锁定关键研究范围；再基于模拟结果设计实验方案，通过微观表征与性能测试验证模拟结论，形成 “预测 - 验证 - 修正” 的闭环研究流程，既保证了研究的科学性，又显著提升了研发效率。模拟参数设置：激活液相、奥氏体、铁素体、珠光体、Laves 相等关键物相，设定温度范围（200-1600℃），预测相形成温度、相分数及元素在不同物相中的分布规律。
图1 采用 JMatPro 软件对普通碳钢物相类型及元素变化进行计算与预测
图2 采用 JMatPro 软件对 316L 不锈钢区域进行的分析：a）物相类型的计算与预测，b）铬元素变化，c）和 d）分别为铁素体与奥氏体相中各元素的变化。
图 3 采用 JMatPro 软件对 Inconel 625 区域进行的分析：a）物相类型的计算与预测，b）、c）和 d）分别为液相、奥氏体及 Laves 相中各元素的变化
图 4采用 JMatPro 软件对普通碳钢与 316L 不锈钢界面的物相类型进行计算与预测
图 5 采用 JMatPro 软件对 316L 不锈钢与 Inconel 625 界面区域凝固过程中的物相类型及元素变化进行计算与预测：a）镍元素，b）铁元素，c）铌元素，d）钼元素（均涉及液相、奥氏体及 Laves 相）
3. 核心成果：多区域物相演变规律精准解析
研究团队通过模拟与实验的深度协同，明确了梯度材料各区域及界面的物相演变规律，且模拟结果与实验数据呈现出高度一致性：
碳钢区域：模拟预测 900℃形成铁素体、700℃形成少量珠光体，室温下二者稳定共存；实验观察到碳钢区为等轴晶结构，晶界处均匀分布铁素体与珠光体，与预测结果完全匹配。
316L 不锈钢区域：模拟显示 1450℃开始凝固，δ- 铁素体与奥氏体竞争形核，室温下奥氏体占比 53wt%、δ- 铁素体占比 47wt%，且铬元素在铁素体中富集程度更高；EDS 分析证实了这一元素分布规律，且未观察到凝固裂纹，验证了凝固过程的稳定性。
Inconel 625 区域：模拟预测 1300℃析出奥氏体，1130℃时 Laves 相与奥氏体共晶形核，室温下奥氏体占 97.5wt%、Laves 相占 2.5wt%，且铌、钼元素偏聚是 Laves 相形成的关键；实验中 EDS 分析显示 Laves 相含 38wt% Nb、10wt% Mo，与模拟推导的 A₂B 型（A 为 Ni、Cr，B 为 Nb、Mo）成分规律一致。
界面区域：针对 316L 不锈钢 - Inconel 625 界面，模拟预测铁含量增加会导致铌元素显著富集，进而促进 Laves 相形成；实验通过 EDS 验证了该界面铁含量 41.71wt%、铌含量 2.22wt%，与模拟的元素偏聚规律完全吻合，揭示了界面物相演变的核心机制。
4. 结论与意义：为功能梯度材料研发提供新范式
本项研究的核心突破在于建立了多组元梯度材料 “成分 - 温度 - 物相 - 性能” 的量化关联，通过模拟与实验的协同配合，高效解析了复杂界面的物相演变机制。研究结果不仅明确了碳钢 - 316L 不锈钢 - Inconel 625 梯度材料的微观结构特征，更确立了 “模拟引领实验” 的材料研发新范式 —— 通过热力学工具提前量化元素行为与相演变规律，可大幅减少盲目实验，缩短研发周期，降低研发成本。
这一成果不仅为同类功能梯度材料的研发提供了技术参考，更推动了增材制造技术在高端材料领域的精准应用，未来可广泛推广至航空航天、新能源等领域，为开发更多高性能多组元复合材料提供重要支撑。
参考文献：Vahid Amiri, Homam Naffakh-Moosavy.Microstructural study of additively-manufactured carbon steel-stainless steel 316L - Inconel 625 functionally graded material: Simulation and experimental approaches.Journal of Materials Research and Technology,Volume 31,2024,Pages 1164-1170.
关于JMatPro
JMatPro软件包含一系列宽范围的合金类型，目前可以计算的合金类型包含铝合金、镁合金、铸铁、不锈钢、高中低合金钢、钴合金、镍基合金、镍铁基合金、镍基单晶超合金、钛合金、锆合金、焊料合金（锡焊）、铜合金。
JMatPro的应用范围：
1、可为热力学计算等基础研究提供参考；
2、辅助科研人员进行合金设计；
3、辅助科研人员进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造、挤压等）；
4、辅助科研人员进行热处理与焊接工艺设计；
5、预测材料材料各种性能，从而可以大量节省项目时间与实验费用（尤其是高温性能）；
6、能为许多材料成型 CAE 软件提供材料性能参数（如：Procast、Magma、Deform、TherCast、Novacast等）；
7、能够为其他CAE软件提供材料性能参数（如Sysweld、Abaqus、Ansys、MSC/Marc等）；
8、提供API接口，利用程序语言调用软件完成计算，方便将软件计算功能与其他软件、应用进行整合。
9、提供MPO材料优化设计，通过多目标优化算法，快速优化获得满足设计要求的材料成分。
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