计算机在材料科学与工程中的应用-完整版20130925
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计算机在材料科学与 工程中的应用
广西大学材料科学与工程学院 2013.08.28
第一章 绪言
计算机在材料科学与工程中的应用简介
• 用于新材料和新合金的设计 • 用于材料科学研究中的模拟 • 用于材料工艺过程的优化及自动控制 • 用于材料组成和微观结构的表征 • 用于数据和图像处理及其他
用于新材料和新合金的设计
有涂层试样 3.5
网格线、标 题等内容；
3 2.5
在“图表类
2
型”中可改
1.5
1
变散点图为
0.5
0
平滑散点图
0
50
100
150
200
250
等。
氧化时间
增重量
100 80 60 40 20 0 0
250 200 150 100
50 0 0
以氧化时间为X轴
注 意 ： Excel 默 认
第一行或第一列作
？-- 怎样判断相邻数据间是到底是用Tab键还是空 格键分隔呢？
数据没有被 分隔成列
选中匹配的分隔符 后数据被分隔成列
EXCEL电子表格的显示调整
单元格显示不全或过大
按左键不放拖拽
EXCEL电子表格的显示调整
EXCEL 2010 单元格显示格式调整 2
1
3
EXCEL 绘图
100 80 60 40 20 0 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
在坐标 轴上点 击右键， 或左键 双击坐 标轴以 改变坐 标轴格 式（如 刻度）。
增重量mg/cm2
增重量mg/cm2
无涂层氧化增重量变化情况
120 100
80 60 40 20
0 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
用于数据和图像处理及其他
材料科学研究在实验中获得的大量实验数据可以借 助计算机的存储设备进行保存，并利用计算机对这 些数据进行处理（计算、绘图、拟合分析）和快速 查询等。
同时，利用光学显微镜和电子显微镜技术，可以以 二维图像的方式表述材料的凝聚态结构，利用计算 机的图像处理和分析功能可以从图像中获取有用的 结构信息如晶粒的大小、分布、聚集方式等，从而 可以把这些结构信息与材料的性能建立起相应的联 系。
利用计算机网络，材料科学工作者可以很方便地查 阅文献、相互交流、及追踪材料科学研究发展动向。
第二章 实验数据处理
• 一、利用Microsoft Excel进行数据处理 • 二、利用Origin进行数据处理 • 三、实验曲线的数据拟合
一、 利用Microsoft Excel进行数据处理
要点： 1. 从文本文档中导入数据 2. 电子表格的显示调整（最合适行高、
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
右键点 击趋势 线，可 改变趋 势线格 式，或 选取其 他更适 合的趋 势线。
有涂层试样
Hale Waihona Puke Baidu
3.5
在空白处点
3
2.5
击右键，在
2 1.5
“图表选项”
1 0.5
中可改变图
0 0
50
100
150
200
250
表坐标轴、
无涂层氧化增重量变化情况
120 100
80 60 40 20
0 0
y = 0.451x + 11.161 R2 = 0.9496
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
左键点击 图中散点， 再点击右 键，可添 加“趋势 线”。还 可选择是 否显示趋 势线公式。
利用Word2010进行“文本—>表格” 转换
利用Word2010进行“表格—>文本” 转换
二、利用Origin进行数据处理
（一）数据的导入： 1、File菜单Import子菜单…… 2、工具栏 Import ASCII图标 3、工作表左上第一个空格处点击右键，弹出式菜 单中的Import ASCII （二）数据的导出： 1、File菜单Export ASCII （三）图片的导出： 1、File菜单Export Page
B（mg/cm2） 0 1.7 2.18 2.19 2.23 6.09 2.34 2.42 2.53 2.64 2.75 2.84 2.96
数据导入
要 点：
➢充分利用Word的表格转换功能：在主菜单栏中选中 表格 （A）转换（V） 文字转换成表格（X） 或 表格转换 成文字（B） 对于存储在Word文档（即“*.doc”文档）中的数据，利用文 字转换成表格功能将数据转换成表格，便可直接复制相关单 元格到EXCEL中使用。 ➢对于存储在纯文本文件（即“*.txt”文档）中的数据，可利 用EXCEL直接打开或读取 需设置文本文件中数据之间的分隔符号（如Tab键、空格、 逗号等），根据实际情况可同时选中多种分隔符号。
用于材料组成和微观结构的表征
目前，材料组成和结构表征研究主要采用各种大 型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、扫描 探针显微镜、X射线衍射仪、中子衍射仪、拉曼光 谱仪、原子吸收光谱仪、等离子体发射光谱仪、 荧光光谱仪等，这些大型分析设备几乎无一例外 的是在计算机的控制之下完成分析工作的。这些 分析设备提供有不同的分析模拟软件以及相应的 数据库，而且软件的功能非常强大，大大减轻了 数据处理的工作量，并且可以给出各种图表。
A：图表区；B：标题；C：绘图区； D：坐标轴；E：网格线
EXCEL图表设置
点击选中网格线，按Delete 键即可去除网格线。
增重量mg/cm2
增重量mg/cm2
100 80 60 40 20 0 0
无涂层氧化增重量变化情况
50
100
150
200
250
氧化时间/h
无涂层氧化增重量变化情况
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
列宽） 3. 计算功能 4. 公式的复制 5. 曲线绘制、坐标轴显示更改 6. 趋势线用法、参数估计 7. 在线帮助文件使用
例：腐蚀试验数据处理
• 在材料的腐蚀试验中，研究腐蚀的反应速度和动 力学规律对了解反应机理及整个反应速度控制步 骤都是非常有用的。同时，反应速度的测定也是 定量描述材料腐蚀程度的基础。与理论模型相结 合对研究材料腐蚀行为将很有帮助。重量法是最 直接也最方便的测定高温腐蚀速度的方法。如果 腐蚀后的腐蚀产物致密且牢固地附着在试样表面 且质量增加时，可以用增重法来计算腐蚀速度。
不同试样随时间变化的氧化增重量（A：无涂层；B：有涂层）
试样氧化时
间/h
0 5 10 20 30 50 70 90 110 130 150 175 200
A（mg/cm2） 0 2.2 13.4 22.3 30.8 41.8 48.8 59.6 66.6 71.97 78.84 85.66 92.2
导入数 据方式2
导入数 据方式3
Origin 数据处理简单实例
• 实验测得溅射率 与离子能量的关
系如表所示，请 利 用 Origin 绘 制 出二者的关系曲
线。（点击此处
可查看纯文本格 式数据文件）
离子能量(KeV) 10 20 30 40 50 60 70 80 90
溅射率(%) 8.1 15 17 19.2 19.5 19.8 20 20 20.1
温度：1、2、3、4、5、6 蒸汽压：2、2.5、3.5、5.5、8.5、12.5 （1） 利用Excel软件打开该文件，并画出以第一行数据为 X轴坐标，第二行数据为Y轴坐标的散点图，要求相邻两数 据点间以平滑曲线相互连接。
（2）为整幅图像添加标题“温度与蒸汽压的关系”，并 分别为X轴和Y轴添加标题：“温度（K）”、“蒸汽压 （Pa）” （3）为图像添加纵向网格线，并删除横向网格线。 （4）将X轴的坐标范围由原来默认的0改为从1开始。 （5）为曲线添加合适的趋势线并在图上显示出相应的公式。 温度
EXCEL图表设置
Excel 2010版本图表设置界面
默认情况下， 不显示横、纵 坐标的标题和 纵向网格线， 只显示图表的 标题、图例和 横向网格线。
图表的标题 图例
网格线
EXCEL图表设置
Excel 2010版本图表设置界面
利用Word2010进行“表格—文本”双向转换
利用Word2010进行“文本—>表格” 转换
材料设计专家系统
设计要求 性能指标
数据库：存储具体有关材料的数据值， 只能进行查询而不能推理。
知识库：存储的是规则，当从数据库 中查询不到相应的性能值时，能通过 推理机构以一定的可信度给出性能的 估算值，从而实现性能的预测功能。
材料数据库 集
智能化 YES
优化结果
成
化
机器
材料知识库
知识获取
学习
推理机
（一）数据的导入：
1、File菜单Import子菜单…… 2、工具栏 Import ASCII图标 3、工作表左上第一个空格处点击右键，弹出式菜 单中的Import ASCII
（二）数据的导出：
1、File菜单Export ASCII
（三）图片的导出：
1、File菜单Export Page
导入数 据方式1
根据模拟对象的尺度范围，计算机模拟可以划分为四个层次：电 子层次（0.1~1nm）、原子分子层次（1~10nm）、微观结构层次 （约1m）、宏观层次（大于1m）。
数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方法。选择合 适的商业软件（如：热加工工艺商业软件：ANSYS、DYNA3D（板料 塑性成形）、ABAQUS（焊接）、SOLIDA、AFS Solidification System3D（铸造）、DEFORM AUTOFORGE、SUPERFORGE（体积塑 性成形）），结合具体问题，进行改进提高研究，正逐步成为多、
快、好、省的研究方法。
用于材料工艺过程的优化及自动控制
在材料加工过程中应用计算机不仅能减轻劳动强度， 而且能改善产品的质量和精度，提高产量。
利用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制， 例如：可以用计算机对渗碳（氮）全过程进行控制， 也可以利用计算机精密控制注塑机的注射速度。
计算机技术、微电子技术和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都获得了 大幅提高。
增重量mg/cm2
增重量mg/cm2
无涂层氧化增重量变化情况
100 80 60 40 20 0 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
无涂层氧化增重量变化情况
100 80 60 40 20 0 0
y = -0.0017x2 + 0.7712x + 3.9898 R2 = 0.9892
为X轴数据源，若
要使第二列为X轴
数据源，必须注意
50
100 150 200 250 第一个单元格不能
氧化时间
含非数字字符，否
以增重量为X轴
则所得的图像会不 正确。
250
200
150
100
50
20
40
60
80
100
0
增重量
0 -50
50
100
150
200
250
300
课后练习
1、自己创建一个纯文本文件“Excel基础练习.txt”，在文 件中写入两行数据，内容如下（标点符号均为中文字符）：
按所需材料性能来设计、制备新材料和新合金， 并使所设计的合金成分、组织或工艺达到最佳配 合。其基本原理是基于已有的大量数据和经验事 实出发，利用已有的各种不同结构层次的数学模 型，如合金的成分、组织、结构与性能关系的数 学模型及相关理论，通过计算机运算对比和推理 思维来完成优选新合金和新材料的设计过程，其 中引入了数学上的最优化理论来获得最佳方案的 材料配方及生产工艺。克服来了传统“炒菜式” 方法盲目性大，费工、费时和经济损耗大的缺点。
推荐成分与工艺
专家系统中 两个最重要 的部分是材 料数据库和 材料知识库。
NO
实验验证
YES
结果
用于材料科学研究中的模拟
采用模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验 过程，了解材料的内部性质及其宏观力学行为，在没有实际制备出 这些新材料前就能预测它们的性能，为设计出性能优异的新型结构 材料提供强有力的理论指导。材料科学研究中的模拟“实验”比实 物实验更高效、经济、灵活，并且在实验很困难或不能进行的场合 仍可进行模拟“实验”，特别是在对微观状态与过程的了解方面， 模拟“实验”更具有其独特性甚至有不可替代的作用。
A（mg/cm2） A（mg/cm2）
50 100 150 200 250
EXCEL 绘图
1 2
3 Excel 2010版本绘图界面
增重量mg/cm2
A
B 无涂层氧化增重量变化情况
A
100
C 80
60
B D 40 20
CE C
0 0
A
50
100
D 150
200
250
B 氧化时间/h
A
EXCEL 图表的构成
广西大学材料科学与工程学院 2013.08.28
第一章 绪言
计算机在材料科学与工程中的应用简介
• 用于新材料和新合金的设计 • 用于材料科学研究中的模拟 • 用于材料工艺过程的优化及自动控制 • 用于材料组成和微观结构的表征 • 用于数据和图像处理及其他
用于新材料和新合金的设计
有涂层试样 3.5
网格线、标 题等内容；
3 2.5
在“图表类
2
型”中可改
1.5
1
变散点图为
0.5
0
平滑散点图
0
50
100
150
200
250
等。
氧化时间
增重量
100 80 60 40 20 0 0
250 200 150 100
50 0 0
以氧化时间为X轴
注 意 ： Excel 默 认
第一行或第一列作
？-- 怎样判断相邻数据间是到底是用Tab键还是空 格键分隔呢？
数据没有被 分隔成列
选中匹配的分隔符 后数据被分隔成列
EXCEL电子表格的显示调整
单元格显示不全或过大
按左键不放拖拽
EXCEL电子表格的显示调整
EXCEL 2010 单元格显示格式调整 2
1
3
EXCEL 绘图
100 80 60 40 20 0 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
在坐标 轴上点 击右键， 或左键 双击坐 标轴以 改变坐 标轴格 式（如 刻度）。
增重量mg/cm2
增重量mg/cm2
无涂层氧化增重量变化情况
120 100
80 60 40 20
0 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
用于数据和图像处理及其他
材料科学研究在实验中获得的大量实验数据可以借 助计算机的存储设备进行保存，并利用计算机对这 些数据进行处理（计算、绘图、拟合分析）和快速 查询等。
同时，利用光学显微镜和电子显微镜技术，可以以 二维图像的方式表述材料的凝聚态结构，利用计算 机的图像处理和分析功能可以从图像中获取有用的 结构信息如晶粒的大小、分布、聚集方式等，从而 可以把这些结构信息与材料的性能建立起相应的联 系。
利用计算机网络，材料科学工作者可以很方便地查 阅文献、相互交流、及追踪材料科学研究发展动向。
第二章 实验数据处理
• 一、利用Microsoft Excel进行数据处理 • 二、利用Origin进行数据处理 • 三、实验曲线的数据拟合
一、 利用Microsoft Excel进行数据处理
要点： 1. 从文本文档中导入数据 2. 电子表格的显示调整（最合适行高、
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
右键点 击趋势 线，可 改变趋 势线格 式，或 选取其 他更适 合的趋 势线。
有涂层试样
Hale Waihona Puke Baidu
3.5
在空白处点
3
2.5
击右键，在
2 1.5
“图表选项”
1 0.5
中可改变图
0 0
50
100
150
200
250
表坐标轴、
无涂层氧化增重量变化情况
120 100
80 60 40 20
0 0
y = 0.451x + 11.161 R2 = 0.9496
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
左键点击 图中散点， 再点击右 键，可添 加“趋势 线”。还 可选择是 否显示趋 势线公式。
利用Word2010进行“文本—>表格” 转换
利用Word2010进行“表格—>文本” 转换
二、利用Origin进行数据处理
（一）数据的导入： 1、File菜单Import子菜单…… 2、工具栏 Import ASCII图标 3、工作表左上第一个空格处点击右键，弹出式菜 单中的Import ASCII （二）数据的导出： 1、File菜单Export ASCII （三）图片的导出： 1、File菜单Export Page
B（mg/cm2） 0 1.7 2.18 2.19 2.23 6.09 2.34 2.42 2.53 2.64 2.75 2.84 2.96
数据导入
要 点：
➢充分利用Word的表格转换功能：在主菜单栏中选中 表格 （A）转换（V） 文字转换成表格（X） 或 表格转换 成文字（B） 对于存储在Word文档（即“*.doc”文档）中的数据，利用文 字转换成表格功能将数据转换成表格，便可直接复制相关单 元格到EXCEL中使用。 ➢对于存储在纯文本文件（即“*.txt”文档）中的数据，可利 用EXCEL直接打开或读取 需设置文本文件中数据之间的分隔符号（如Tab键、空格、 逗号等），根据实际情况可同时选中多种分隔符号。
用于材料组成和微观结构的表征
目前，材料组成和结构表征研究主要采用各种大 型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、扫描 探针显微镜、X射线衍射仪、中子衍射仪、拉曼光 谱仪、原子吸收光谱仪、等离子体发射光谱仪、 荧光光谱仪等，这些大型分析设备几乎无一例外 的是在计算机的控制之下完成分析工作的。这些 分析设备提供有不同的分析模拟软件以及相应的 数据库，而且软件的功能非常强大，大大减轻了 数据处理的工作量，并且可以给出各种图表。
A：图表区；B：标题；C：绘图区； D：坐标轴；E：网格线
EXCEL图表设置
点击选中网格线，按Delete 键即可去除网格线。
增重量mg/cm2
增重量mg/cm2
100 80 60 40 20 0 0
无涂层氧化增重量变化情况
50
100
150
200
250
氧化时间/h
无涂层氧化增重量变化情况
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
列宽） 3. 计算功能 4. 公式的复制 5. 曲线绘制、坐标轴显示更改 6. 趋势线用法、参数估计 7. 在线帮助文件使用
例：腐蚀试验数据处理
• 在材料的腐蚀试验中，研究腐蚀的反应速度和动 力学规律对了解反应机理及整个反应速度控制步 骤都是非常有用的。同时，反应速度的测定也是 定量描述材料腐蚀程度的基础。与理论模型相结 合对研究材料腐蚀行为将很有帮助。重量法是最 直接也最方便的测定高温腐蚀速度的方法。如果 腐蚀后的腐蚀产物致密且牢固地附着在试样表面 且质量增加时，可以用增重法来计算腐蚀速度。
不同试样随时间变化的氧化增重量（A：无涂层；B：有涂层）
试样氧化时
间/h
0 5 10 20 30 50 70 90 110 130 150 175 200
A（mg/cm2） 0 2.2 13.4 22.3 30.8 41.8 48.8 59.6 66.6 71.97 78.84 85.66 92.2
导入数 据方式2
导入数 据方式3
Origin 数据处理简单实例
• 实验测得溅射率 与离子能量的关
系如表所示，请 利 用 Origin 绘 制 出二者的关系曲
线。（点击此处
可查看纯文本格 式数据文件）
离子能量(KeV) 10 20 30 40 50 60 70 80 90
溅射率(%) 8.1 15 17 19.2 19.5 19.8 20 20 20.1
温度：1、2、3、4、5、6 蒸汽压：2、2.5、3.5、5.5、8.5、12.5 （1） 利用Excel软件打开该文件，并画出以第一行数据为 X轴坐标，第二行数据为Y轴坐标的散点图，要求相邻两数 据点间以平滑曲线相互连接。
（2）为整幅图像添加标题“温度与蒸汽压的关系”，并 分别为X轴和Y轴添加标题：“温度（K）”、“蒸汽压 （Pa）” （3）为图像添加纵向网格线，并删除横向网格线。 （4）将X轴的坐标范围由原来默认的0改为从1开始。 （5）为曲线添加合适的趋势线并在图上显示出相应的公式。 温度
EXCEL图表设置
Excel 2010版本图表设置界面
默认情况下， 不显示横、纵 坐标的标题和 纵向网格线， 只显示图表的 标题、图例和 横向网格线。
图表的标题 图例
网格线
EXCEL图表设置
Excel 2010版本图表设置界面
利用Word2010进行“表格—文本”双向转换
利用Word2010进行“文本—>表格” 转换
材料设计专家系统
设计要求 性能指标
数据库：存储具体有关材料的数据值， 只能进行查询而不能推理。
知识库：存储的是规则，当从数据库 中查询不到相应的性能值时，能通过 推理机构以一定的可信度给出性能的 估算值，从而实现性能的预测功能。
材料数据库 集
智能化 YES
优化结果
成
化
机器
材料知识库
知识获取
学习
推理机
（一）数据的导入：
1、File菜单Import子菜单…… 2、工具栏 Import ASCII图标 3、工作表左上第一个空格处点击右键，弹出式菜 单中的Import ASCII
（二）数据的导出：
1、File菜单Export ASCII
（三）图片的导出：
1、File菜单Export Page
导入数 据方式1
根据模拟对象的尺度范围，计算机模拟可以划分为四个层次：电 子层次（0.1~1nm）、原子分子层次（1~10nm）、微观结构层次 （约1m）、宏观层次（大于1m）。
数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方法。选择合 适的商业软件（如：热加工工艺商业软件：ANSYS、DYNA3D（板料 塑性成形）、ABAQUS（焊接）、SOLIDA、AFS Solidification System3D（铸造）、DEFORM AUTOFORGE、SUPERFORGE（体积塑 性成形）），结合具体问题，进行改进提高研究，正逐步成为多、
快、好、省的研究方法。
用于材料工艺过程的优化及自动控制
在材料加工过程中应用计算机不仅能减轻劳动强度， 而且能改善产品的质量和精度，提高产量。
利用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制， 例如：可以用计算机对渗碳（氮）全过程进行控制， 也可以利用计算机精密控制注塑机的注射速度。
计算机技术、微电子技术和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都获得了 大幅提高。
增重量mg/cm2
增重量mg/cm2
无涂层氧化增重量变化情况
100 80 60 40 20 0 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 氧化时间/h
无涂层氧化增重量变化情况
100 80 60 40 20 0 0
y = -0.0017x2 + 0.7712x + 3.9898 R2 = 0.9892
为X轴数据源，若
要使第二列为X轴
数据源，必须注意
50
100 150 200 250 第一个单元格不能
氧化时间
含非数字字符，否
以增重量为X轴
则所得的图像会不 正确。
250
200
150
100
50
20
40
60
80
100
0
增重量
0 -50
50
100
150
200
250
300
课后练习
1、自己创建一个纯文本文件“Excel基础练习.txt”，在文 件中写入两行数据，内容如下（标点符号均为中文字符）：
按所需材料性能来设计、制备新材料和新合金， 并使所设计的合金成分、组织或工艺达到最佳配 合。其基本原理是基于已有的大量数据和经验事 实出发，利用已有的各种不同结构层次的数学模 型，如合金的成分、组织、结构与性能关系的数 学模型及相关理论，通过计算机运算对比和推理 思维来完成优选新合金和新材料的设计过程，其 中引入了数学上的最优化理论来获得最佳方案的 材料配方及生产工艺。克服来了传统“炒菜式” 方法盲目性大，费工、费时和经济损耗大的缺点。
推荐成分与工艺
专家系统中 两个最重要 的部分是材 料数据库和 材料知识库。
NO
实验验证
YES
结果
用于材料科学研究中的模拟
采用模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验 过程，了解材料的内部性质及其宏观力学行为，在没有实际制备出 这些新材料前就能预测它们的性能，为设计出性能优异的新型结构 材料提供强有力的理论指导。材料科学研究中的模拟“实验”比实 物实验更高效、经济、灵活，并且在实验很困难或不能进行的场合 仍可进行模拟“实验”，特别是在对微观状态与过程的了解方面， 模拟“实验”更具有其独特性甚至有不可替代的作用。
A（mg/cm2） A（mg/cm2）
50 100 150 200 250
EXCEL 绘图
1 2
3 Excel 2010版本绘图界面
增重量mg/cm2
A
B 无涂层氧化增重量变化情况
A
100
C 80
60
B D 40 20
CE C
0 0
A
50
100
D 150
200
250
B 氧化时间/h
A
EXCEL 图表的构成