合金设计这类重要课题提出至今已有八年。这种设计方法，其本意是试图改变原来那种单凭经验与直觉反复摸索从事合金开发的老办法，但合金设计目前尚未形成体系，连方法论上的准备也很欠缺。这种尝试的本身仍然处于一系列的摸索过程之中。本文着重对在此过程中逐步明朗的合金设计与老的配方冶金学两者间的本质差别，以及对确立合金设计体系的一些尝试这样两个方面进行叙述。

系统设计与材料

一般说来，机械系统的设计人员，作为材料的使用者，不一定需要十分熟悉材料的特性。这些设计人员往往只需根据用户经验及产品信誉，在现有的各种材料中挑选出符合机械系统设计要求的材料，对材料特性有了某种程度经验上的理解就已足够。

另一方面，就从事材料开发工作的研究人员而论，情况大体相同。材料要在用它制成的机械系统中才能发挥作用，归根到底，它必须满足机械设计系统方面提出的要求。因此，材料特性应该定义于使用这种材料的机械系统之中。但是，一般说来，材料开发大都经年累月，极费时间，又需要高度的专门化知识，所以一旦确定了目标，材料的开发工作就常常和机械系统的设计无关，而且这样做，往往易于收效。

与上述分工化、专业化紧密相关的有以下两个侧面。其一是关于如何保证材料市场的扩展问题。其二是材料开发、材料评估、系统设计三个过程的组织问题。前者系指材料开发上供求平衡的稳定性及适应性而言。这里，首先要满足这样一个条件：即随着人们要求材料的多样化和高级化，材料市场日益扩大，在此情况下，每种材料开发的成果，都应各各具有不同的实用价值，而且，材料开发成果的本身，还须与新的市场情况相适应。其次，还有一个重要条件，就是要采取措施，把各种材料开发达到的局部水平上的适应性加以综合调整，使之在整体上处于最佳状态。要达到这一境界，其基本条件是要在材料开发、材料评估，系统设计三个过程中，把各个相关领域上的情报交换和统一步调的过程加以有组织化。当然，这里所指整体上的最佳状态究竟具有何种涵义？要接近此种状态现实上是否可能？这些问题，即使以自然资源的有效利用或最适用资源的重新分配为例，也仍有诸多瞹眛不明之处。但有一点是明确的，即如认为通过市场自动调节作用，在不同水平上进行的各种材料开发成果必然导致整体上的最佳状态，这种看法未免过于天真。总之，材料开发，狭义地说来，要将其作为有关机械系统中的一个重要因素进行评价；广义地说来，则要将其作为由资源、环境、福利等外界条件构成的社会系统中的材料应用作出评估。

根据上述论点，比如电子材料和热核反应炉用材两者，就是要求打破以往材料开发固有程式的典型事例。关于后者，将留待下一节起再行涉及。这里仅以前者即电子材料作为中心进行说明。电子材料的开发，先后经过电子管、二极管、三极管、集成电路、大规模集成电路以至超大规模集成电路这样几个阶段，系统设计与材料研究间的关系十分密切。尤其是到了超大规模集成电路阶段，两者几已浑然一体，难分彼此。在这个阶段上，问题归结到如何提高大规模集成电路的集成度和如何用大规模集成进行系统设计这样两个焦点上。对上述两点，处理的方法不是把以往互不相关的材料、部件、回路、系统等作业单位简单结合，而是完全撤除掉它们之间的“边界线”，用更加全面的观点来对待问题，求得解决。例如要提高集成度，就存在杂质分布对传导率影响的材料问题，又有系统功能与集成度两者求得平衡的设计问题，还有与此有关的精密加工技术问题，牵涉范围非常广泛。至于热核反应炉的用材，也有同样情况，要将材料作为这个系统内的重要因素加以考虑，这种观点十分重要。

合金设计的想法

合金设计与高分子科学领域内以分子设计形式逐步发展起来的材料设计：具有同一基本概念。这种设计是按照使用方面提出的材料性能、使用期、环境条件等要求，先将以往材料开发者取得的有关知识、经验集其大成，作为基础，然后据此显示出如何制作所需材料的一种设计方法，亦即针对用户要求，将适用的各种开发方法归纳整理，最终作出显示的一种方法。

这种方法的程序有二：（1）汇集存贮作业：对过去材料开发的有关数据不只是简单地加以收罗，还要按任务目的进行汇集、存贮，以利检索。（2）编码作业：把以往有关材料开发方面的各种处理方法、成败经验加以整理，以便于对开发所需性能材料的具体做法提示指导方针。

但是过去的合金开发，大都没有充分利用前人苦心积累的各种经验，往往单凭个人的经验或直觉进行探索。这样，要由此取得突破，就须先将过去的经验，很好汇集整理，使之配合含金开发，可以随时利用。这种想法有关人士都抱同感。但是为此而作出的尝试，迄今仍少眉目。究其原因，大约是因为实用合金的开发，一般都涉及多个因素，要先将这些因素逐个简化为单一条件，才能由此积累实验知识，构成基础理论体系，这样做倒不如采取直接反映实用要求水平的处理方法收效快，效果好，而且，那些来自实验的知识，一般说来只是不同材料的个别结论，难以形成体系。再则还因为，国内的合金开发，大部分是由于其他各国明确了主攻方向，有了合金开发的基础材料，往后只需将成分元素、加工、热处理等的有关参数稍作调整，就能适应局部需要，满足当前的材料开发要求，而无须承担多大风险。总之，一般认为，合金开发上方法论的体系化和有组织化，并非当前急待解决的重要课题，无需集中注意力于每种合金开发的个别研究成果。这就是所谓配方冶金学。但如上节所述，随着系统设计或其目的与材料开发两者间关系的深化，人们迫切要求突破过去那种逐个进行材料开发的老办法，希望用更加全面的观点建立起一套新的设计方法。

对合金开发方法系统化的尝试工作，是由日本的三岛良绩开其先例的，其后并陆续发表了有关合金设计及材料设计的多种研究成果。这些成果约可归纳为以下三类：

（1）多数尝试都以高效率为中心点，例如将更多的数据用更省、更快、更自动化、更精确的办法作出处理。这种类型的合金设计方法，是按预定的信息处理程序，把数据以理论式、经验式的形式使之公式化，用计算机模拟编码使之模型化，然后进行重组，以利使用。另外，单纯着眼于材料特性检索的情报检索系统，亦可归入这一类型。

（2）这种合金设计是在给定了作为设计目标的合金性能规格后，由设计者利用收集到的各种数据确定目标合金开发详细程序的一种作业，是一种综合分析有关资料和从中摘出有效数据的反复过程。在此过程中，给定了性能规格，并不能一次得出结果，而要反复摸索才能逐步完善。就是说，这种作业是由人的创造性劳动及根据经验导出的推理性手法和计算机上公式化/模型化的多种机械性程序作业，两者交错结合而成。这种作业的适用系统，就是所谓CAD即计算机辅助设计型。作为合金设计用系统，笔者所在小组发展了一种CAAD-I（Computer Aided Alloy Designing system-I）即计算机辅助合金设计；型。这里有基本特性、金相图、合金特性等数据形成的数据库，还有与合金设计的标准方法、特性值推算有关的理论式、经验式等形成的程序库，这些都按便于检索的形式加以整理，并同时制成应用图形，使利用图解指示和TSS（分时系统）末端的设计人员与计算机系统得以交换数据。这样，既可使双方的数据交换顺利进行，更加多样，人的判断又可在合金设计程序中随时反映出来。在这一系统中，考虑到系统开发、维修所需的人力条件，在通用性及其功能两者间，存在权衡关系，因而，在功能上受到限制。为克服这一缺点，我们又考虑采用分散型数据库的办法。这就是在实现计算机网络的前提下，按各专门领域分担有关资料的数据基本作业，以改进存贮数据的质量，同时对这些复式基本数据实施统一管理，以增加可供检索的数据量。CAAD-I可认为是这种分散型数据基的一个组成部分，然而，它作为合金设计用系统还只是一个样机，起不到具体的决定作用，但退一步说，这一系统原来就以通用性为其首要条件，这种结果毫不足怪。尽管如此，我们认为，只要善于利用其学习功能，就合金设计方法的整理和体系化而言，这种CAD系统还是最为适用的。

（3）归根结底，有些材料开发要从所需人力及费用——效用、比率的观点出发进行考虑，热核反应炉的合金设计就是一例。这里，热核反应堆设计的基本想法是动态的，因为主要经过与所选择所开发的材料之间的动态关系才能得出定论。所以这种合金开发的程序是归纳性的。故在这类课题的合金设计系统中，又必须包括逐步逼近原定设计目标的归纳性程序在内。应予考虑的对象要作为某一系统内的一个要素作出处理，要从自然资源的有效利用着眼，设法在整个社会系统中求得最好结果。除上述各点外，我们还考虑到在热核反应堆用材方面为评估材料所做的实验验证手段在现阶段还只达到近似程度，从而材料的开发过程就是假设、推论/推算、验证的多次反复，这样，软件作业实际起到非常重要的作用。其次，热核反应堆开发工作的本身看来具有长期前景，如此，就热核反应堆材料开发而言，还必须对较长时期的资源制约问题作出估价，笔者所在的研究小组，以上述各点作为基本依据，已经着手开发了一种ADAM&EVE（用实验数据值自动模拟和评估的合金设计）系统。以下拟就完成这一系统的具体作业及其中间过程进行简介。

合金设计系统的开发过程

合金设计，是指当给定某一使用目的时，要在有限的可用资源即资料、人力、技术、时间、资金等前提条件下，确定符合使用目的的最好金属材料这一工作而言。在设计阶段，人力、技术、时间、资金等条件暂不起决定性作用。下文只拟以金属材料的资料与最适材料的确定方法为限，进行评述。

在考虑合金设计用系统的工作要求时，如以热核反应堆用材一类未知对象为例，将极有助于人们搞清合金设计的实质问题。我的意思是说，如果使用目的和材料特性两者都很含混时，采用预先做好周密准备，用所得的理论式、经验式等推算方法与假设的前提条件相结合，一次导出特定结果的方法看来意义不大。这里，问题可以归结为：对各种前提条件、推算方法应如何作出估价；这些条件和方法如何与符合原定使用目的的合金开发工作相结合；并如何与新的实验数据、推算方法作出比较，以便据此改进推算方法这样几点。换言之，在热核反应堆用材开发过程中，一切评估、推算都不过是在其目的条件下的近似结果。当然，这些近似结果必须不断地趋近于原定的目的。要而言之，新材料开发的推算和实验之间，一面要经过抽象化与具体化的多次反复过程，一面在两者间确立有机的联系，在考虑合金设计用系统的工作要求时，必须注意体现出这样的“活的联系”。

由此观点出发，符合合金设计用系统要求的有关功能可归纳为如下三类：

（1）所需资料的存贮与检索功能：这里有合金设计所需资料究竟有哪些？应如何加以表示？又应如何进行数据基础化等问题。在CAAD-I型中，所需资料有：基本物性值（原子束径、电离势等）、二元系平衡状态、结构照片、合金数据及合金设计方法等五项，分别形成序列、网络、序列、结构、网络数据结构。在ADAM&EVE型系统中，另有包含热核反应堆概念设计参数在内的环境条件存储资料、理论式、经验式及计算机模拟编码等推算方法，还有资源量等制约条件参数，以促进该系统的组织化。

情报的表示，一般说来，力求正确反映取得的数据。以比重为例，按合金名称、特性名称、特性值、参考文献等四栏记述，这样，预先确定了数据模型，就可把具体值按TZM（钽-错-钼合金）、比重、参考文献各项输入各栏。至于金相图，情况比较复杂，在各条曲线上的温度、成分比要用多项式近似法进行再生，作出选择，取得资料。同时在各节点上还附有共晶、固溶极限等图谱资料。有关决定模式的计算方法，已见于其他有关文献，此处不再赘述。

以上二种系统类型的情报资料检索，都较简便，例如前者的基本特性，可用指定合金名称（或元素名称）及特性名称的方法检索特性值，也可用指定特性值范围及特性名称的方法检索合金名称（或元素名称）。至于金相图可用指定元素名称，温度范围、成分范围及模式的方法进行金相图的检索。

（2）对于机械性质、化学性质、辐射效果、环境效果等资料表示比较复杂，但特性本身，却极重要的合金数据，如按一次存储资料形式表示，可按过去文献介绍，用数据模型作出表示，但为明确各种资料在系统上的涵义起见，我们考虑按如下方法在状态空间中给那些资料以确切的定义。这样就可用检索所得的数据作为基础，做到各种特性值推算方法的有组织化。这是本系统的第二个重要功能。亦即，设合金设计过程所处的状态为S，则S可用有关内部结构的描述M及有关特性的序列P和表示时间先后关系的常用变量t作出表示。

这样，M的标准表示法为

M=（构成元素名称、同位素比、成分比、结晶型、D、T、F）

其中D为晶格缺陷描述方面的参考，如有关原子空穴、晶间原子、位错、面缺陷等资料，T为金相组织描述方面的参数，如晶粒度、析出物状态、组织特性曲线等资料，F如断裂力学上描述的参数，如裂纹形状、发生部位等数据。由信息论的原理可知，这些无法用数量表示的质的数据，并没有明确的表示方法，为此，我们决定采用可能取得的微观组织资料和有关特性两者间的关系，在现有的D、T、F的基本数据上作出表示。总之，把所得的状态S（M、P、t）与合金化、加工、热处理、环境效果、照射效果等有关资料的作用素相结合，就可使合金设计的基本资料在一个状态空间内具有匹配性而得到了定义。

借助数据表示的公式化，我们就可根据0及S生成的状态空间对合金设计进行探索。如何使这种探索效果好，速度快，有关议论已见于其他文献，但基本上其程序是先将以往成果整理汇集成合金设计的标准设想，或由数据库中存贮的资料中求得相关关系，再通过已知信息的分解与再组成得到关联的合金化对策，以便据此确定可以考虑的材料范围，最终能够在一定程度上探讨可能的定量范围。

（3）最后，非常重要的一点就是有关人们通过与基本数据间的情报交换学习成败事例的方法。对此，在计算开始时起，就应逐次用定向坐标图像对有关程序作出记录，在作业结束时，重新编集作为参考方法加以积累存贮。

结尾语

十余年前，由三岛氏创始对合金设计学进行的探索，至今经历了上述三个阶段，得出了种种成果。在本文中，笔者不揣浅陋，以我们在合金设计用计算机系统方面的摸索过程为基础，介绍了现阶段有关情况，从而阐明了过去从未触及的一些做法和想法。

不言而喻，合金设计用系统的开发，目前仅为合金开发体系化预作准备，在体系化进程上不过迈出了第一步。笔者相信，通过长期不懈的努力，合金设卄学必将达到真正的体系化。

〔金属（日）1978年9期2 ~ 7页〕