嗯...最近在想，這些模擬軟體到底要怎麼選？
最近在整理一些舊的專案資料，看到一堆用不同軟體跑出來的模擬結果，就突然開始想這個問題。做材料研發的，特別是金屬相關的，大概都離不開這幾家軟體：Thermo-Calc、DICTRA，還有做微觀組織的，像是 MICRESS。說真的，以前剛入門的時候，總覺得它們好像都差不多，都是在電腦上算東西，但用久了才慢慢發現，它們的哲學...或者說，它們各自擅長解決的問題，其實差很多。
常常有人會問，我到底該學哪一套？是不是學了最強的那套，其他就不用管了？老實說，這問題問錯了方向。它們之間不是取代關係，更像是... 一個團隊。你需要它們互相合作，才能把一個材料從頭到尾研究透徹。
先說結論：它們不是互斥，更像是合作的夥伴
如果只想一句話得到答案，那我會說：Thermo-Calc 是地基，幫你畫出材料的「命運地圖」（相圖）；DICTRA 是交通警察，管理元素在這張地圖上的「流動」（擴散）；而 MICRESS 則是建築師，把前面兩者的資訊整合起來，實際「蓋出」微觀組織這棟建築。
所以，你不會只用其中一個。一個完整的研發流程，通常是這三者，或者說這三種類型的軟體，層層遞進、搭配使用。少了任何一環，你的分析可能就會有點...嗯，瘸一條腿的感覺。
所以，這些軟體到底各自在幹嘛？
好，我們一個一個來看。它們各自的專長到底是什麼，這點要先搞清楚。
Thermo-Calc：一切的基礎，計算相圖的專家
Thermo-Calc 的核心，就是「熱力學計算」。 簡單講，你給它合金成分，它就能告訴你在不同溫度下，這個合金會處於什麼樣的「穩定狀態」。它會生成哪些相？各個相的比例是多少？這些相的成分又是什麼？ 這就是所謂的「相圖」。相圖對材料人來說，就跟航海圖對船長一樣重要，它告訴你材料的基本規則。
你可以把它想像成是在玩一個樂高組合，Thermo-Calc 幫你算出，用你手邊這些特定顏色和形狀的積木（元素），在什麼規則（溫度、壓力）下，可以拼出哪些最穩固的結構（相）。所以，它是所有分析的第一步，用來建立對一個新合金系統的宏觀理解。 台灣的代理商網站上也都有提到，它是很多計算的基礎。
DICTRA：專管一維擴散的交通警察
有了相圖，我们知道了「平衡」長什麼樣子，但現實世界的製程，像是熱處理、滲碳，很多時候都是「非平衡」的。 這時候就需要 DICTRA (Diffusion-Controlled TRAnsformations) 上場了。DICTRA 專門模擬在一維尺度下，元素是怎麼「跑」的。 也就是擴散行為。
比如說，你想知道鋼鐵在 900°C 滲碳一小時後，碳元素的濃度分佈長什麼樣子？或是兩種不同金屬焊接在一起，加熱後，界面處的元素會如何互相擴散，形成哪些新的相？這些都是 DICTRA 的拿手好戲。它需要 Thermo-Calc 算出來的熱力學數據當作驅動力，然後再加上「動力學」的數據（也就是原子移動的速度，稱為 mobility database），去計算擴散過程。 所以你看，它跟 Thermo-Calc 是緊密合作的。
MICRESS / DIGIMU：真正的微觀組織建築師
好，前面兩個多半處理的是熱力學平衡，或是一維的擴散問題。但真實世界的材料是三維的，有晶粒、有晶界、有各種奇形怪狀的析出物。這就是 MICRESS (MICRostructure Evolution Simulation Software) 的領域了。 它是基於「相場法」(Phase-Field Method) 的軟體，可以直接模擬出二維或三維的微觀組織是怎麼「長」出來的。
你可以看到凝固過程中樹枝晶的生長、晶粒的粗化、或是析出物如何形成與分佈。 它的計算量非常非常大，但是能給出最接近真實照片的模擬結果。 當然，它也需要 Thermo-Calc 的熱力學數據和 DICTRA 的動力學數據當作輸入，可以說是集大成者。
至於 DIGIMU，它和 MICRESS 概念上有些類似，都是所謂的「全場」(Full Field) 模擬工具，但它們來自不同的開發團隊。MICRESS 主要由德國的 ACCESS e.V. 開發，基於相場法。 而 DIGIMU 則是法國 MINES ParisTech 的 CEMEF 研究中心與 TRANSVALOR 公司合作的結晶，更多是基於有限元素法 (FEM) 來模擬再結晶、晶粒成長等現象。 雖然方法不同，但目標都是模擬真實的微觀組織演化。在實際應用上，MICRESS 在凝固與相變態領域的應用案例似乎更廣泛一些，而 DIGIMU 在鍛造等塑性變形與再結晶的耦合模擬上著墨較多。
一個實際案例，怎麼把它們串起來？
光說理論可能有點抽象，我們用一個假想的例子來說明：假設我們要開發一款新的鎳基超合金，用於航太渦輪葉片。這個流程大概會是這樣：
- 第一步 (Thermo-Calc)： 我們會先丟好幾個不同比例的配方到 Thermo-Calc 裡面，去計算它們的相圖。看看在工作溫度下，會不會產生有害的脆性相？液相線跟固相線溫度在哪裡？γ' 相的體積分率有多少？這一步可以幫我們快速篩掉幾十種不靠譜的配方，省下大量實驗成本。
- 第二步 (DICTRA)： 選出幾個有潛力的配方後，接著用 DICTRA。例如，我們可以模擬葉片在長時間高溫服役下，表面的塗層元素會不會擴散到基材中，或是基材中的某些元素（如Cr, Al）會不會因為氧化而貧化，進而影響壽命。
- 第三步 (MICRESS)： 最後，針對最重要的配方，我們會用 MICRESS 進行精細的凝固模擬。看看在特定的冷卻速率下（例如在積層製造或鑄造過程中），樹枝晶的間距 (SDAS) 會是多少？ 會不會有嚴重的成分偏析？這些都會直接影響材料的機械性質。 藉由這種模擬，我們可以去優化製程參數。
你看，這就是一個典型的多尺度模擬流程，從宏觀的熱力學平衡，到一維的擴散，再到三維的微觀組織，環環相扣。
