计算机在材料科学中的应用

计算机在材料科学中的应用

材料化学20080679 张冰摘要介绍计算机技术在材料科学研究中应用领域。探讨计算机在材料科学研究领域中的具体应用。借助于计算机可推动材料研究、开发与应用。计算机的具体应用。

关键词计算机技术材料科学应用

材料科学是一门实验科学，实验是制备新材料和测定其结构和性能的直接手段。而由于计算机技术、计算理论的迅速发展，许多更加复杂、大型的计算成为可能，使得在材料研究领域．采用计算方法来研究材料的结构和性能，并指导实验研究成为一种新的研究方向。计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。计算机模拟技术在材料成形加工中的应用,使材料成形工艺从定性描述走向定量预测,为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案,从传统的经验试错法,推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段,对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。计算机模拟是未来材料成形制备工艺的必由之路,其发展趋势是多尺度模拟及集成。

一．计算机在材料科学中的应用领域

1.计算机用于新材料的设计

材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能的新材料，按生产要求

设计最佳的制备和加工方法。材料设计按照设计对象和所涉及的空问尺寸可分为电子层次、原子／分子层次的微观结构设计和显微结构层次材料的结构设计。材料设计主要是利用人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术，将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来，用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策，为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法。

2.材料科学研究中的计算机模拟

利用计算机对真实系统模拟实验、提供模拟结果，指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的过程，包括合成、结构、性能制备和使用等。计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模拟实验。通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功，还可为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详细的预测并提供方法。

3 材料与工艺过程的优化及自动控制

材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展，微机和可编程控制器(PLC)在材料加工过程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材料加工过程中利用计算机技术不仅能减轻劳动强度，更能改善产品的质量和精度，提高产量。用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制。例如在计算机对工艺过程的数学模型进行模拟的基础上，可以用计算机对渗碳渗氮全过程进行控制。在材料的制备中，可以对过程进行精确的控制，例如材料表面处理(热处理)中的炉温控制

等。计算机技术和微电子技术、自动控制技术相结合，使工艺设备、检测手段的准确性和精确度等大大提高。控制技术也由最初的简单顺序控制发展到数学模型在线控制和统计过程控制，由分散的个别控制发展到计算机综合管理与控制，控制水平提高，可靠性得到充分保证。

4 计算机用于数据和图像处理

材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数据，借助计算机的存储设备，可以大量保存数据，并对这些数据进行处理(计算、绘图，拟合分析)和快速查询等。材料的性能与其凝聚态结构有密不可分的关系，其研究手段之一就是光学显微镜和电子显微镜技术，这些技术以二维图像方式表述材料的凝聚态结构。利用计算机图像处理和分析功能就可以研究材料的结构，从图像中获取有用的结构信息，如晶体的大小，分布，聚集方式等，并将这些信息和材料性能建立相应的联系，用来指导结构的研究。

二计算机的具体应用

(1)液态金属充型过程的计算机数值模拟金属液充型过程数值模拟的研究中多数采用SO - LA - VOF ( Solution Algorithm) 法为基础,引入体积函数处理自由表面,并在传热计算和流量修正等方面进行研究改进。有的研究在对层流模型进行大量试验验证之后,用K - ε双方程模型模拟充型过程的紊流现象[。到目前为止,虽然已研究了许多算法,如:并行算法、三维有限单元法、三维有限差分法、数值方法与解析方法混合的算法等,但尚没有最好的算法,各种算法各有优劣,应用的侧重点不同。

(2)凝固过程的数值模拟通过铸件凝固过程数值模拟的计算,确定铸件内温度场,可以画出铸件在任意断面上的等温线分布,凝固前沿进程,以及等时线分布,或者以动态的方式显示铸件在三维方向上的凝固进程,以确定最后凝固的部位和分析产生缩孔、缩松缺陷的位置和大小[。目前,缩孔、缩松定量预测的方法已经在铸造厂得以应用,并取得了良好的经济效益。

(3)应力场的数值模拟凝固成形过程应力场的模拟计算能够帮助预测和分析铸件的裂纹、变形及残余应力,为控制由应力应变造成的缺陷、优化铸造工艺、提高铸件尺寸精度及稳定性提供科学依据。

(4)凝固组织形成过程的数值模拟凝固过程组织数值模拟的主要模型有蒙特卡

洛模型(Monte Carlo) 、相场模型和基于界面稳定性理论的晶体生长模型。蒙特卡洛模型缺少物理背景,不能定量地分析各种物理因素和工艺因素对凝固组织的影响,当前使用较少;相场模型能清晰地模拟出枝晶生长、粗化过程,模拟出凝固组织的细节,但相场模型需要较大的计算机内存、较快的计算速度。

三其他应用

(1)计算机模拟技术在腐蚀与防护领域的应用在腐蚀与防护中主要应用于电流密度分布、电场强度分析、电导率等方面,正确地反映了腐蚀过程中的变化特征,向着精确预测和严格定量方向发展,对大气腐蚀、海洋工程等预测和控制起到重大作用。采用有限元分析法、有限差分法、边界元法三种方法求解Lap lace方程(电化学电池中的控制

电位分布等式) ,已经得到证实。通过计算机模拟技术可以把此方程应用到各种复杂变化条件中进行求解。这样可测量电位分布图,观察到随时间变化的极化性质,也可用泊松方程计算电化学作用中的性质,如电场强度、电流密度、电位等,用来确定阴极保护参数和腐蚀速率的预测估计[。计算机模拟技术也比较适用于局部腐蚀电池,腐蚀形状用元素网络模拟,这种模拟已用于电偶腐蚀和浓度电池,腐蚀电池的模拟已进一步推广应用到预测核废料密封罐的长期腐蚀速率。在腐蚀领域中模拟技术不仅限于应用数字模型,还探讨了合金的腐蚀和钝化,电位- FH图同样可用计算机模拟,帮助预测腐蚀是否发生。A. Borell 等以贫洛理论为基础的计算机模型模拟了晶间腐蚀,描述了TTS图。计算机模拟技术也用于阳极电阻公式的计算、阴极保护系统的设计、及应力腐蚀断裂行为的分析等方面。计算机模拟技术已成为腐蚀与防护研究中的一个强有力的工具,借助模拟技术,人们已实现了设计、控制等功能。

(2)材料检测方面的应用

计算机在材料检测中的应用目前主要集中于材料的成分、组织结构与物相、物理性能的检测,以及机械零部件的无损检测等方面其基本方法是借助于某种探测器内各探测到的信号转化为数字信号传输到计算机里,然后通过程序员编制的相关程序对这些数字信号判断、处理后得到相应结果。譬如,能谱分析仪、X射线仪、超声波无损检测仪及万能材料实验机等的计算机处理系统等就是这方面应用的成功事例。今后计算机在材料科学中的应用会日益广泛深入,作为材料工作者,