计算机在材料中的应用复习
计算机技术在材料科学中的应用
计算机技术在材料科学中的应用随着科技的快速发展，计算机技术在各领域中得到了广泛应用，材料科学也不例外。
计算机技术在材料科学中的应用，主要体现在以下几个方面：材料模拟、结构设计、材料制备、性能评估和数据分析等。
一、材料模拟材料模拟是应用计算机技术模拟材料结构和性质的一种方法。
它是一种快速了解材料的结构和性能的方式，通过计算模拟的结果，可以为材料制备和性能评估提供重要的参考依据。
材料模拟方法可以分为基于量子力学和分子力学的两大类。
其中，基于量子力学的方法计算精度较高，适用于材料内部原子结构细节的模拟，而基于分子力学的方法计算速度较快，适用于材料宏观性能的预测。
二、结构设计在材料设计方面，计算机技术已成为主流手段。
材料的结构设计包括对各种材料进行理论分析，通过计算机对材料进行优化设计，以达到提高材料性能的目的。
计算机通过建立复杂的多参数调节模型，对材料进行虚拟设计和计算分析，优化各项性能指标，使得材料上市前就达到了最优性能指标，这大大缩短了材料从实验室研发到商业化的时间。
三、材料制备材料制备是指利用不同的制备方法来获得具有特定结构和性质的材料。
计算机技术在材料制备中起到了重要的作用，可以通过控制材料的结构和形态，来实现制备出具有特定性质的材料。
例如，通过分子动力学模拟，可以模拟材料的制备过程，从而根据需要来优化材料的制备条件。
四、性能评估在材料性能评估方面，计算技术已成为一种不可替代的方法。
通过计算机对材料的性质进行模拟和预测，不仅可节省研发成本，缩短研发周期，而且还在一定程度上避免了不必要的实验过程的造成的材料浪费，是一种可持续发展的研发方式。
材料性能评估包括材料的力学性能、物理性能、化学性能、电学性能、热性能等各项性能指标的评估。
五、数据分析计算机技术在材料科学中还有一个重要领域，即数据分析。
材料科学是一个需要收集、分析大量数据的领域。
计算机技术的进步，不仅可以帮助研究人员快速处理数据量大的实验结果，而且还可以通过机器学习等技术来挖掘更多的信息，快速发现材料之间的关系，为材料设计和性能预测提供更为精准的数据支持。
计算机模拟在金属材料中的应用
计算机模拟在金属材料中的应用随着科技的迅猛发展，计算机模拟成为热门的研究领域。
在材料科学中，计算机模拟的应用已经得到广泛认可。
而随着材料成分和结构的多样化，金属材料的性能也变得越来越重要。
因此，金属材料中的计算机模拟也变得越来越流行。
本文将探讨计算机模拟在金属材料中的应用，并介绍一些具体例子。
1. 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种常见的计算机模拟方法，它可以模拟材料的粒子运动，从而得到材料的性能参数。
在金属材料中，分子动力学模拟可以模拟材料的力学性质，如弹性模量、塑性形变和应力等。
通过这种方法，研究人员可以研究金属材料的变形规律和破坏机理。
例如，研究人员可以使用分子动力学模拟来研究纯钛的弹性模量随温度变化的规律。
他们发现，在高温下，纯钛的弹性模量会急剧降低。
这个发现对于建立高温下的防护结构有着极大的意义。
同样，分子动力学模拟还可以用于模拟金属材料的应变速率、应力和材料的变形和断裂等。
2. 电子结构模拟电子结构模拟是一种计算机模拟方法，它可以模拟材料的电子结构。
在金属材料中，电子结构模拟可以模拟金属中的电子行为，包括电子的结构和电子的运动。
这种模拟方法可以用来预测导电性、阻抗和其他电学性质，它也可以让人们对金属材料的电学性质有一个更深入的了解。
例如，一项研究使用电子结构模拟来研究金属银在空气中的腐蚀行为。
他们发现，银在空气中的腐蚀是由于氧分子与表面的银原子相互作用而引起的。
这个发现对于金属材料的防腐有重要意义。
除了电学性质，电子结构模拟还可以用于研究金属材料的磁学性质。
例如，研究人员可以使用电子结构模拟来研究铁磁体在外部磁场作用下的行为。
这些模拟结果可以使人们更深入地了解金属材料的磁学性质和其在磁性材料中的应用。
3. 量子化学模拟量子化学模拟是一种计算机模拟方法，它可以模拟材料的分子结构和化学行为。
在金属材料中，量子化学模拟可以用来模拟金属的分子结构、材料的氧化和金属材料的化学反应。
例如，研究人员可以使用量子化学模拟来预测金属材料的光电化学性质。
计算机在材料科学复习题1-19题的答案
式中，为材料的密度kg m3 ; c为材料的比热容J kg K ;
t为时间s; x , y , z分别是材料沿x, y, z方向的热导率W m K ; Q Qx, y, z,t是物体内部的热源密度W kg。
7．当无内热源及稳态时热量平衡方程可简化为何方程？当在某个方向上温度变 化为零时热量平衡方程可简化为何方程？当在某两个方向上温度变化为零时 即一维情况下，稳态热量平衡方程中场变量 T 的通解是怎样的？
更普遍情况下的导热微分方程。
6．三维瞬态温度场的热量平衡方程是怎样的？它是根据什么导出的？方程中各 项的物理意义如何?
答：三维维瞬态温度场的热 平衡方程是：
c
T t
x
T x
y
T y
z
T z
Q
0
它是根据能量守恒定律，平行六面体中单位时间内 增加的热
量＝单位时间内净流入的热 量。
15. 掌握求近似值语句 N 的用法。
答：“N”是 Mathematic a 的函数，表示求近似值，可以指定有效位数。
如： N[Pi, 18] 为： 3.14159265358979324
16、掌握画图语句 Plot 的用法 答： Mathematica 具有强大而灵活的作图能力。 一般的二维图形（一元函数作图）： 如：Plot[ Sin[x], {x, -2Pi, 2Pi}]
j
1
2
1 l
2
T i,
j
1 2
1 2
T i,
j
1
1
22
Ti,j1 2源自1 2T i,j
1
1
22
1 l 2
Ti, j1 2Ti, j Ti, j1
将(1),(2)代入二维拉普拉斯方程中，得到：
材料科学中计算机技术的应用
材料科学中计算机技术的应用材料科学是一门研究材料结构、性质、制备和应用的学科，是其他学科应用的基础。
随着计算机技术的不断发展，计算机技术在材料科学中的应用也越来越广泛。
本文将围绕计算机技术在材料科学中的应用进行探讨。
一、材料模拟材料模拟是一种利用计算机模拟材料结构和性质的方法。
在材料科学中，材料模拟被广泛应用于材料的设计、开发和研究中。
通过模拟计算，可以预测材料的性能、结构和反应。
材料模拟主要分为两类：一是原子水平的模拟，即通过计算原子之间的相互作用力，计算材料的结构和性质；二是宏观水平的模拟，即通过对材料宏观行为的模拟，推测材料的微观结构和性质。
材料模拟的应用范围非常广泛。
例如材料设计中，材料模拟可以为新材料的设计提供帮助。
材料模拟可以模拟材料的物理、化学、力学和热学性质，以预测材料的性能。
在制备新材料之前，材料模拟可以预测材料的物理和化学性质，以指导实验设计。
例如，可以预测材料的强度、硬度、热膨胀系数、热导率、电导率等性质。
材料模拟也可以应用于材料工艺的优化。
材料模拟可以模拟材料的各种参数及其组合，以预测材料在制备过程中的行为。
例如，可以预测材料晶体生长过程中的细节，预测材料的成型和变形过程，以及材料的失效机制。
二、材料数据库材料数据库是一种记录材料性质和结构信息的电子数据库。
材料数据库收集了来自实验和模拟的大量材料数据，提供了有关材料结构和性质的详细信息。
材料数据库通常以开放的形式提供，可用于材料研究、设计和开发。
材料数据库的应用很广泛。
例如在材料设计中，可以使用材料数据库来搜索材料的性质和结构信息，以找到满足特定需求的材料。
材料数据库可以为新材料的设计提供参考。
例如，对于开发新材料的研究人员来说，使用材料数据库可以快速查找有关材料性质和结构的信息，以帮助他们设计新材料。
另外，材料数据库也可以应用于材料生产和质量控制。
例如，材料制造商可以使用材料数据库来查找材料的性能和结构信息，来验证他们的产品是否符合规定的标准。
计算机在材料中的应用
计算机在材料中的应用
计算机在材料中的应用主要包括以下几个方面：
1. 材料模拟与设计：计算机可以进行材料的模拟和设计，通过模拟计算材料的物理、化学和力学性质，预测材料的性能，并优化设计。
例如，使用分子动力学模拟、量子力学计算等方法来研究材料的结构、热力学性质、力学性能等。
2. 材料制造与加工优化：计算机可以用于材料的制造和加工过程的优化。
通过计算机模拟和仿真，可以预测加工过程中材料的受力和应变情况，优化工艺参数，提高材料的制造效率和质量。
3. 材料性能测试与评估：计算机可以用于材料性能的测试和评估。
通过计算机模拟和数值分析，可以精确计算材料的热力学性质、力学性能、磁性等，并进行材料性能的评估和对比。
4. 材料数据管理与数据库建立：计算机可以用于管理材料数据和建立材料数据库。
通过将材料相关的数据存储在计算机中，并建立数据库，可以方便地检索和管理材料数据，加快材料研发过程。
5. 材料设计与发现：计算机可以进行材料的设计与发现。
通过计算机模拟和计算，可以搜索材料空间中的新材料，并预测材料的性质和应用。
这对于材料的研发和创新具有重要意义。
总的来说，计算机在材料中的应用可以提高材料设计和制造的效率，加速材料研发和创新，促进材料领域的发展。
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材料科学中计算机技术的应用
材料科学中计算机技术的应用材料科学是一门研究材料性能、结构和制备方法的学科。
随着计算机技术的发展和进步，计算机技术在材料科学中的应用越来越广泛，并且在科学研究、材料设计和制备、材料性能模拟等方面发挥着重要作用。
下面将详细介绍计算机技术在材料科学中的应用。
一、材料建模和模拟计算机技术在材料科学中广泛应用于材料的建模和模拟。
通过数学模型和计算方法，可以模拟并预测新材料的性能、结构以及制备过程，为材料设计和优化提供科学依据。
例如，材料科学家可以使用分子动力学模拟方法研究原子或分子的运动规律，以及宏观性质的变化规律；通过量子力学计算，可以探索材料的电子结构和能带特性；通过有限元分析，可以研究材料的力学性能和变形行为。
计算机技术有效地提高了材料模拟的精度和效率，为材料研究和设计提供有力支持。
二、材料数据分析和挖掘随着材料科学研究的深入，材料数据的量级和复杂性不断增加。
计算机技术在材料数据分析和挖掘中发挥着重要作用。
通过数据挖掘和机器学习方法，可以从大量的材料数据中发现规律和趋势，并用于材料设计和高通量材料筛选。
例如，利用大数据技术，可以挖掘和分析材料的晶体结构数据库，发现新的材料组成和结构；通过分类和回归模型，可以预测材料的性能，并优化材料的配方。
计算机技术的应用使得材料数据分析更加高效和准确，为材料研究提供了新的途径和方法。
三、材料制备与工艺模拟材料制备是材料科学研究的关键环节之一，计算机技术在材料制备与工艺模拟中发挥着重要作用。
通过计算机模拟方法，可以模拟材料的制备过程和工艺参数的优化，为材料制备提供科学依据。
例如，利用计算流体动力学方法，可以模拟材料的熔体流动和凝固过程，优化工艺参数，改善材料的组织和性能；通过有限元分析，可以研究材料的热力学和力学行为，为材料制备提供优化方案。
计算机技术的应用使得材料制备与工艺模拟更加精确和可控，提高了材料的质量和性能。
四、材料设计和优化材料设计是将材料的性能和结构与目标进行匹配和优化的过程。
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料科学中的应用引言计算机科学与材料科学的结合，为材料科学领域的研究和应用带来了巨大的影响和变革。
随着计算机技术的不断发展和突破，计算机在材料科学中的应用逐渐得到了广泛的认可和应用。
分子建模与模拟计算机在材料科学领域的一个重要应用是分子建模和模拟。
通过利用计算机建立分子的模型和进行模拟计算，可以预测材料的性质和行为。
这种方法在材料设计、催化剂研究、药物研发等领域中具有重要的应用价值。
通过在计算机上进行大规模的分子模拟，可以快速筛选出具有潜在应用价值的材料，从而加速材料科学的研究和应用过程。
材料结构预测另一个计算机在材料科学中的重要应用是材料结构预测。
传统的材料结构预测方法通常需要耗费大量的时间和人力，而计算机可以通过模拟和计算来快速预测材料的结构。
通过这种方式，可以找到新的材料结构，推动新材料的发现和应用。
这种方法在新能源材料、光电材料、储能材料等领域中具有重要的应用价值。
材料性能优化计算机在材料科学中的应用还可以用于材料性能优化。
通过利用计算机模拟和预测，可以优化材料的性能和特性。
例如，在涉及到材料的机械性能、导电性能、光学性能等方面，可以通过计算机模拟和优化来提高材料的性能。
这种方法不仅可以指导实验的设计和实施，还可以提高材料的应用性能，从而推动材料科学的发展和应用。
数据分析与挖掘计算机在材料科学中还可以用于数据分析与挖掘。
随着大数据时代的到来，材料科学领域也积累了大量的材料数据。
通过运用计算机技术，可以从这些数据中挖掘出有价值的信息和规律，指导材料的设计和研究。
例如，可以通过机器学习的算法来建立材料的结构-性能关联模型，从而加速材料的研发过程。
材料仿真与优化设计最后，计算机在材料科学中的应用还可以用于材料的仿真和优化设计。
通过在计算机上建立材料的模型，可以对材料进行仿真和优化。
例如，可以通过有限元分析方法对材料的力学行为进行仿真，帮助理解和预测材料的性能。
同时，也可以利用优化算法进行材料的优化设计，进一步提高材料的性能和特性。
计算机在材料科学与工程中的应用
以x*求出发f(x*)后与f(xn)和f(xn+1)比较， 照例以f(x*)代替f(xn)和f(xn+1)中的同号者。 如果f(x*)不十分接近零，在重复上述步骤， 直到收敛到满意程度。
试位法的几何解释
• y
•
o
x1 x3 x4 x2
计算流程图
在x的等距分点上找出使f(xn)与f(xn+1)异号的xn和xn+1
x 3 x 1 这时迭代函数就变为：
2 1 x 1，而 x 1 3 , 3 3 ‘
迭代流程图
•
开始 读入x0,N, n=1 X1=(x0) |x1-x0|< n等于N 打印失败标志 结束
计算结果
• • • • • • n 0 1 2 3 4 xn 1.5 1.35721 1.33086 1.32588 1.32494 n
②在热工方面，主要是窑炉方面的计算机模拟，现在可以将三
传一反应（传质、传热、动量传递、燃料燃烧）结合在一起计 算，达到了气、固、液体的耦合计算，对物理现象本质描述的 更加完善和细致，比较真实地反映实际现象的数学描述模型， 利用计算机模拟。模拟结果，可以指导窑炉设计和生产。
(2)过程控制
过程控制（Process Control）是为达 到规定的目标而对影响过程状况的变量所 进行的操纵。
那么:
f xn xn 1 xn sxx
几何解释
曲线f(x)上的横坐标为xn的点记 Y 为Pn,则差商为:
f x n f x n 1 x n x n 1
y=f(x)
Pn-1
Pn x0 xn+1 xn xn-1
表示玄线Pn-1Pn的斜率,容易看出:
计算机在材料科学中的应用-第二章-计算机在材料检测中的应用精选全文
特征提取模块
用于针对缺陷的特征，提取被采集部位的图像 的缺陷信息，采用和合适的识别准则定缺陷的 类型、位置等，列出缺陷的主要特征参数表格。
步骤
1. 进行特征参数的确定 采用最少的特征量建立基于决策理论的分类准则， 保证以最快的速度实现缺陷的准确识别。
2. 进行计算机缺陷形状识别 预处理后的图像中把缺陷检出，在图像的灰度边界 有阶跃突变特点，取4个相邻像素进行判断，确定 边界位置。
材料与冶金学院
计算机在材料科学中的应用
分析模块
列出各种缺陷分布情况结果，负责数据存储并 评定级别。
在对缺陷作形状识别并分类后，列出缺陷的主 要特征参数表格，扩展功能中还可以依要求列 出各种分布情况图。
参数表格和各种分布情况图以文件形式存储备 案，以利于研究人员分析。
材料与冶金学院
计算机在材料科学中的应用
现今可利用各种大型分析设备如扫描探针显微镜 （SPM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）， 各种衍射仪如双射线衍射仪，电子衍射仪，各种谱 仪如红外光谱仪、原子吸收谱仪、激光光谱仪等用 于材料成分的检侧。
分析电子显微方法
各种光谱方法
材料与冶金学院
计算机在材料科学中的应用
1、分析电子显微方法
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计算机在材料科学中的应用
X射线光谱、微波辐射光谱
波谱和能谱的原理是一样的 定性分析选用灵敏线作分析线，用元素光谱图
对比即可。 定量分析是根据被分析元素谱线的强度确定其
浓度
峰值比较法 显线法 内标法
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计算机在材料科学中的应用
计算机采集系统
光谱仪中待测试样被激发后产生 特征光，由入射狭缝经光栅依波 长分光后，形成不同波长的光分 通道，由光电倍增管将光信号转 为电信号，再经各通道的电流频 率转换器形成不同频率的脉冲信 号，计算机专门设计计数器对脉 冲进行计数，其计数值即为各单 色光的谱线强度
计算机技术在材料科学中的应用
《计算机技术在材料科学中的应用》随着科学技术的不断发展，计算机技术在各个领域的应用也日益广泛，其中包括材料科学领域。
计算机技术的发展使得在材料科学研究中更加便捷和有效，为材料研发和设计提供了全新的途径和方法。
本文将通过全面的评估，探讨计算机技术在材料科学中的应用，帮助读者更深入地了解这一主题。
一、计算机模拟在材料科学中的应用1.原子层面的模拟计算机技术可以模拟原子层面的材料结构和性质，利用分子动力学模拟等方法，研究材料的结构、热力学性质、动力学行为等。
通过这些模拟可以更好地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供重要的参考。
2.材料表征与成像计算机技术可以实现对材料的表征与成像，通过原子力显微镜、透射电子显微镜等技术，对材料的微观结构和表面形貌进行模拟和重建，帮助科研人员更好地理解材料的特性和表现形态。
3.晶体结构预测通过计算机模拟的方法，可以对晶体结构进行预测和优化，提高新材料的研发效率，并且发现一些在实验中难以获得的新材料结构。
二、材料设计和优化中的计算机辅助方法1.材料数据库与大数据分析计算机技术可以建立和维护大规模的材料数据库，通过对大数据的分析和挖掘，挖掘一些潜在的新材料组成和性能规律，提高新材料的发现效率。
2.晶体工程与材料优化计算机辅助的晶体工程和材料优化方法，可以通过高通量计算和机器学习等技术，实现对材料性能和构造的优化，提高材料的性能和可靠性。
三、个人观点和总结从上述内容可见，计算机技术在材料科学中的应用已经成为材料科学研究的重要手段。
通过计算机技术的应用，我们可以更加深入地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供全新的途径和方法。
然而，在材料科学研究中，计算机技术的应用也面临一些挑战，比如模拟精度、数据挖掘的准确性等方面需要进一步完善。
计算机技术的应用为材料科学研究带来了巨大的推动力，相信随着技术的不断进步，计算机技术在材料科学中的应用将会有更加广阔的发展前景。
计算机在材料科学中的应用上机实验
计算机在材料科学中的应用上机实验计算机在材料科学领域的应用已经成为研究人员和工程师的重要工具。
使用计算机进行上机实验，可以帮助研究人员更好地理解材料性能和行为，并加速材料设计和开发的进程。
下面将介绍计算机在材料科学中的几个重要应用。
1.材料建模与仿真计算机可以用于材料建模和仿真，通过计算模拟材料性能的变化。
例如，分子动力学模拟可以用于研究原子或分子水平上的材料行为，从而揭示材料的力学性能和热力学性质。
此外，密度泛函理论计算可以用于预测材料的电子结构和光学性质。
这些模拟和计算能够帮助研究人员更好地理解材料的性质，在设计新材料时提供重要的指导。
2.材料性能优化通过计算机仿真，可以进行材料性能的优化。
使用材料属性数据库和机器学习算法，可以通过计算预测材料的性能，并为材料设计和优化提供指导。
例如，通过计算机辅助设计和优化，可以预测材料的力学性能、热电性能和光学性能等，并选择合适的工艺和材料组成来满足特定需求。
这种计算辅助的材料设计方法能够减少实验试错和成本，加快材料开发的速度。
3.界面与相互作用研究计算机模拟可以用于研究材料间的相互作用和界面性能。
例如，通过分子动力学模拟可以研究材料的界面结构和界面力学性能，为多相材料的设计和开发提供指导。
计算机还可以模拟材料的界面和表面反应，研究材料的腐蚀行为和氧化反应等。
通过计算机模拟的研究，可以深入了解材料的界面行为和相互作用机制，从而提高材料的表面性能和应用效果。
4.材料制备和工艺优化计算机在材料制备和工艺优化方面也有重要的应用。
通过计算机模拟可以预测材料在不同制备条件下的结构和性能变化，帮助工程师选择合适的制备工艺参数。
例如，通过计算机模拟可以优化材料的晶体生长过程，从而获得高质量的晶体。
此外，计算机还可以模拟材料的熔融过程、液滴形成和纳米颗粒的生长等，为材料的制备和工艺优化提供重要的指导。
综上所述，计算机在材料科学中的应用上机实验具有重要意义。
通过计算机模拟和计算，可以深入研究材料的性能和行为，加快材料设计和开发的进程。
第一章计算机在材料科学与工程中的应用
第一章计算机在材料科学与工程中的应用引言：计算机科学和工程已经成为现代社会和各种领域的关键技术。
特别是在材料科学与工程领域，计算机已经成为一个不可或缺的工具。
本文将重点介绍计算机在材料科学与工程中的应用，包括模拟与建模、材料设计与优化、材料性能预测与评估、材料制备过程的模拟与优化等方面。
一、模拟与建模在材料科学与工程中，模拟与建模是一种非常重要且常用的方法。
计算机可以通过建立材料的数学模型，对材料的结构、性能等进行模拟和分析。
例如，通过计算机模拟可以揭示材料的原子结构、晶体结构、晶体缺陷等，可以预测材料的力学性能、电子性质、热传导性能等。
这些模拟与建模的结果可以为实验提供指导，加快材料的发现和开发过程。
二、材料设计与优化材料设计与优化是材料科学与工程中的一个重要任务。
通过计算机的辅助，可以对材料进行设计和优化。
例如，利用计算机辅助设计软件，可以设计新型的组分或配方，用于制备更高性能的材料。
利用计算机的优化算法，可以对现有材料的结构和组分进行优化，以提高材料的性能。
这些设计和优化的结果可以在实验中验证，并指导材料的进一步开发。
三、材料性能预测与评估了解材料的性能是材料科学与工程中的核心任务之一、计算机可以通过材料的模拟和计算，预测材料的性能。
例如，计算机可以计算材料的力学性能、电子性质、光学性质等，从而预测材料在不同环境下的行为。
这些性能预测的结果可以为实验提供参考，指导材料的选择和设计。
四、材料制备过程的模拟与优化材料的制备过程通常决定着材料的结构和性能。
计算机可以通过模拟和优化材料的制备过程，帮助提高材料的质量和性能。
例如，计算机可以模拟材料的原子、分子、晶体的排列和运动过程，从而提供制备过程中的参数和条件。
通过优化这些参数和条件，可以实现材料的精确控制和优化制备，从而获得质量更好的材料。
结论：计算机在材料科学与工程中的应用非常广泛而重要，从模拟与建模、材料设计与优化、材料性能预测与评估，到材料制备过程的模拟与优化，计算机都发挥着不可或缺的作用。
计算机在材料科学中的应用简答题
计算机在材料科学中的应用材料科学：以材料的组成、结构、性能、制备工艺和使用性能以及它们之间相互关系为研究对象的一门科学;这也是材料研究者的共同使命;材料科学的四个要素包括：成分、组织、性能、合成/制备; 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2.材料科学研究中的计算机模拟3 材料与工艺过程的优化及自动控制4 计算机用于数据和图像处理 5 计算机网络在材料研究中的应用特定性能的新材料,按生产要求设计最佳的制备和加工方法;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, 使人们能将物理、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;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;优点：在某些情况下,计算机模拟可以部分地代替实验;计算机模拟对于理论的发展也有重要的意义;1.简述建立数学模型的基本步骤;常用的数学模型建立有几种方法;答：建立数学模型的基本步骤：⑴建模准备——是确定建模课题的过程,就是要了解问题的实际背景,明确建模的目的;深入生产和科研实际以及社会生活实际,掌握与课题有关的第一手资料,汇集与课题有关的信息和数据,弄清问题的实际背景和建模的目的,进行建模筹划;⑵建模假设——建模假设就是根据建模的目的对原型进行适当的抽象、简化,把那些反映问题本质属性的形态、量及其关系抽象出来,简化掉那些非本质的因素、使之摆脱原来的具体复杂形态,形成对建模有用的信息资源和前提条件;对原型的抽象、简化不是无条件的,必须按照假设的合理性原则：①目的性原则；②真实性原则；③简明性原则；④全面性原则;⑶构造模型——在建模假设的基础上,进一步分析建模假设的内容,首先区分常量、变量、已知量、未知量,然后查明各种量所处的地位、作用和他们之间的关系,选择恰当的数学工具和构造模型的方法对其进行表征,构造出刻画实际问题的模型;⑷模型求解——构造数学模型之后,根据已知条件和数据,分析模型的特征和模型的结构特点,设计或选择求解模型的数学方法和算法,然后编写计算机程序或运用与算法相适应的软件包,并借助计算机完成对模型的求解;⑸模型分析——根据建模的目的要求,对建模求解的数字结果,或进行稳定性分析,或进行系统参数的灵敏度分析,或进行误差分析等;通过分析,如果不符合要求就修改或增减建模假设条件,重新建模,直到符合要求;如果通过分析符合要求,还可以对模型进行评价、优化、预测等方面的分析和探讨;⑹模型检验——模型分析符合要求后,还必须回到客观实际中去对模型进行检验,看是否符合客观实际,若不符合,就修改或增减假设条件,重新建模,循环往复,不断完善,直到获得满意的结果;⑺模型应用——模型应用是数学建模的宗旨,也是对建模的最客观、最公正的检验;一个成功的数学建模,必须根据建模的目的,将其用于分析、研究和解决实际问题,充分发挥数学建模在生产和科研中的特殊作用;常用的数学建模方法：1理论分析法;2模拟方法;3类比分析法;4数据分析法;2、最小二乘法的原理;求系统回归方程的方法;解：最小二乘法又称最小平方法是一种数学优化技术;它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配;利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据,并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小;最小二乘法还可用于曲线拟合;其他一些优化问题也可通过最小化能量或最大化熵用最小二乘法来表达;求一条通过或接近一组数据点的曲线,这一过程叫数据拟合,而表示曲线的数学式称为回归方程;求系统回归方程的一般方法如下：设有一未知系统,以测得该系统有 n个输入-输出数据点为x i ,y i i=1,2,…,n现寻求其函数关系y=fx或Fx,y=0无论x,y为什么函数关系,假设用以多项式y^=b0 +b1 x+b2 x2+…b m x m作为对输出观测量y的估计用y^表示;若能确定其阶数及系数b0 、b1 、b2 …,b m,所得到的就是回归方程——数学建模;各项系数即回归系数;当输入为x i,输出为y i时,多项式拟合曲线相应于的估计值为y i^=b0 +b1 x i+b2 x i2+…b m x i m i=1, 2, …,n现在要使多项式估计与观测值的差的平方和Q=∑y i^-y i2为最小,这就是最小二乘法,令ΔQ/Δb j=0 j=1, 2, …,m得到下列正规方程组ΔQ/Δb1=2∑b0 +b1 x i+b2 x i2+…b m x i m - y i x i =0ΔQ/Δb2= 2∑b0 +b1 x i+b2 x i2+…b m x i m - y i x i2=0┆ΔQ/Δb M= 2∑b0 +b1 x i+b2 x i2+…b m x i m - y i x i m =0一般数据点个数n大于多项式阶数m,m取决于残差的大小,这样,从上式可求出回归系数b0,b1,…b m,从而建立回归方程数据模型;3.请简述差分法的数学思想和解题目步骤;答：差分法的数学思想：将求解域划分为差分网络,用有限网格节点代替连续的求解域;有限差分法通过Taylor技术展开等方法,把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行疏散,从而建立以网格节点上的值为未知数的方程组;有限差分法的主要解题步骤：1建立微分方程;2构建差分格式;3求解差分方程;4精度分析和检验;4有限元分析的基本原理;答：一、是把连续的几何机构离散成有限个单元,并在每一个单元中设定有限个节点；二、根据几何机构离散思想而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体,同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；三、建立用于求解节点未知量的有限元方程组,再将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题;四、求解得到节点值,再通过设定的插值函数确定单元上以至个集合体上的场函数;然后对每个单元选取适当的插值函数,使得该函数在子域内部、在子域分界面上以及子域与外界面上都满足一定的条件;五、单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时,列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组,利用计算机解出节点位移后,再用与模型相关公式,计算出各单元上产生的微小变化,当各单元小到一定程度,那么它就代表连续体各处的真实情况;❖有限单元法的基本思想就是把一个连续体人为的分割成有限个单元,即把一个结构看成由若干通过结点相连的单元组成的整体,先进行单元分析,然后再把这些单元组合起来代表原来的结构;这种先化整为零、再积零为整的方法就叫有限元法;从数学的角度来看,有限元法是将一个偏微分方程化成一个代数方程组,利用计算机求解;由于有限元法是采用矩阵算法,借助计算机这个工具可以快速的算出结果;6..请简述有限元法的数学思想和解题目步骤;答：有限元法的数学思想：把连续的几何结构离散成有限个单元,并在每个单元中设定有限个节点,运用变分原理和加权余量法等数学基础解得节点值,进而得到整个集合体的场函数;有限元法的解题步骤:1建立求解域并将其离散化为有限单元;2假设代表单元解的近似连续函数;3建立单元方程;4构造单元整体刚度矩阵;5施加边界条件,初始条件和荷载;6求解线性或非线性的微分方程组,得到节点求解结果及其他重要信息;1.建模阶段建模阶段是根据结构实际形状和实际工况条件建立有限元分析的计算模型——有限元模型,从而为有限元数值计算提供必要的输入数据;有限元建模的中心任务是结构离散,即划分网格;但是还是要处理许多与之相关的工作：如结构形式处理、集合模型建立、单元特性定义、单元质量检查、编号顺序以及模型边界条件的定义等;2.计算阶段计算阶段的任务是完成有限元方法有关的数值计算;由于这一步运算量非常大,所以这部分工作由有限元分析软件控制并在计算机上自动完成;3.后处理阶段它的任务是对计算输出的结果进行必要的处理,并按一定方式显示或打印出来,以便对结构性能的好坏或设计的合理性进行评估,并作为相应的改进或优化,这是进行结构有限元分析的目的所在;❖首先,有限元模型为计算提供所有原始数据,这些输入数据的误差将直接决定计算结果的精度；❖其次,有限元模型的形式将对计算过程产生很大的影响,合理的模型既能保证计算结构的精度,又不致使计算量太大和对计算机存储容量的要求太高；❖再次,由于结构形状和工况条件的复杂性,要建立一个符合实际的有限元模型并非易事,它要考虑的综合因素很多,对分析人员提出了较高的要求；❖最后,建模所花费的时间在整个分析过程中占有相当大的比重,约占整个分析时间的70%,因此,把主要精力放在模型的建立上以及提高建模速度是缩短整个分析周期的关键;9.模型中一般包括以下三类数据：❖ 1.节点数据：包括每个节点的编号、坐标值等；❖ 2.单元数据：a.单元编号和组成单元的节点编号；b.单元材料特性,如弹性模量、泊松比、密度等；c.单元物理特征值,如弹簧单元的刚度系数、单元厚度、曲率半径等；d.一维单元的截面特征值,如截面面积、惯性矩等；e.相关几何数据b.载荷条件数据；c.热边界条件数据；d.其他边界数据.1.分析问题定义在进行有限元分析之前,首先应对结果的形状、尺寸、工况条件等进行仔细分析,只有正确掌握了分析结构的具体特征才能建立合理的几何模型;总的来说,要定义一个有限元分析问题时,应明确以下几点：a.结构类型；b.分析类型；c.分析内容；d.计算精度要求；e.模型规模；f.计算数据的大致规律2.几何模型建立几何模型是从结构实际形状中抽象出来的,并不是完全照搬结构的实际形状,而是需要根据结构的具体特征对结构进行必要的简化、变化和处理,以适应有限元分析的特点;3.单元类型选择划分网格前首先要确定采用哪种类型的单元,包括单元的形状和阶次;单元类型选择应根据结构的类型、形状特征、应力和变形特点、精度要求和硬件条件等因素综合进行考虑;4.单元特性定义有限元单元中的每一个单元除了表现出一定的外部形状外,还应具备一组计算所需的内部特征参数,这些参数用来定义结构材料的性能、描述单元本身的物理特征和其他辅助几何特征等.5.网格划分网格划分是建立有限元模型的中心工作,模型的合理性很大程度上可以通过所划分的网格形式反映出来;目前广泛采用自动或半自动网格划分方法,如在Ansys中采用的SmartSize网格划分方法就是自动划分方法;6.模型检查和处理一般来说,用自动或半自动网格划分方法划分出来的网格模型还不能立即应用于分析;由于结构和网格生成过程的复杂性,划分出来的网格或多或少存在一些问题,如网格形状较差,单元和节点编号顺序不合理等,这些都将影响有限元计算的计算精度和计算时间;7.边界条件定义在对结构进行网格划分后称为离散模型,它还不是有限元模型,只有在网格模型上定义了所需要的各类边界条件后,网格模型才能成为完整的有限元模型;11..Ansys主要功能❖ 1. 结构分析；2. 高度非线性瞬态动力分析ANSYS/LS-DYNA；3. 热分析；4. 电磁分析；5. 流体动力学分析；6. 声学分析；7. 压电分析；8. 多场耦合分析；9. 优化设计及设计灵敏度分析； 10.二次开发功能；11. ANSYS土木工程专用包;.典型分析过程：1. 准备工作： 1清空数据库并开始一个新分析2指定新的工作文件名Jobname3指定新标题Title 4指定新的工作目录Working Directory;2.前置处理——创建有限元模型：1单元属性定义单元类型、实常数、材料属性；2创建或读入几何实体模型；3划分单元获得网络模型节点及单元：4模型检查,存储模型;3.计算求解——施加载荷进行求解：1选择分析类型并设置分析选型；2定义载荷及载荷步选项；3求解 solve;长、气象沉积、复合材料的失效破坏等;蒙特卡洛法的基本步骤：1构建概率模型;2随机抽样;3估计统计量;14.请回答Ansys软件主要包括三个部分的名称和各部分的功能;答：Ansys软件主要包括三个部分：前处理模块,求解模块和后处理模块;前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便的构造有限元模型；求解模块可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块可将计算结果以图形,图表,曲线形式显示或输出;15.简述数据库的构成和主要特征;答：数据库系统至少包含以下三部分：1.数据库：结构化的相关数据的集合,有数据间的关联性;2.物理存储器：存储数据的介质,如光盘、磁盘、磁带等;3.数据库软件：负责对数据库管理和维护的软件,其核心是DBMS;16.数据库系统管理数据具有下列特征：1.数据共享：多用户同时使用全部或部分数据;2.数据独立性：每个用户所使用的数据有其自身的逻辑机构;3.减少数据冗余：数据集中管理,统一组织、定义和存储;4.数据的结构化：数据的相互关联和记录类型的相互关联;5.统一的数据保护功能：并发控制的问题,加强了对数据的保护;17.用PC-PDF检索系统分析PVD涂层的XRD谱线1 PC-PDF检索系统2使用方法分析过程PVD涂层：高速钢TiN多弧离子镀PVD涂层;沉积工艺为：预抽真空20min,预轰击清洗15min,离子镀沉积30min后冷却出炉;涂层厚度约2～3μm,可以初步判断XRD图谱为基体的衍射峰和涂层的衍射峰的叠加;1根据相图,确定稳定相,估计非平衡相：根据Fe-Ti相图,稳定化合物只有TiFe和TiFe2两种,分析得出优先形成TiFe;根据Ti-N相图,在PVD 的温度下可能形成的稳定相有α-Ti、Ti2N及TiN,除此外,还可能出现非平衡相;2检索：采用布尔Boolean检索法对仅形成Ti-N和Fe-Ti化合物进行检索,检索出12张PDF卡片;选择编号就可得到相应的PDF卡片在每个记录中存入的主要内容有：序号、PDF卡片号、物相名、该物相所含的元素名、晶体结构参数、衍射靶参数、晶面间距值、相对强度值、晶面指数等;;结合该PVD工艺条件和PDF卡片对试样的X衍射图谱进行对照分析,得出该涂层表面主要有TiN、Ti2N 、、FeTi相;3分析：X射线衍射物相定性计算机分析系统;有了PDF卡片检索数据库,结合相分析软件可在获得 X射线衍射谱后,利用数据库来对照分析,迅速准确对物相进行分析;Philips 公司为此开发出了 PC-IDENTIFY X衍射图谱计算机分析系统,该分析系统将各衍射降的值与各个可能存在物相的 d 值逐个进行比较,最终输出分析结果;该分桥系统为 X衍射仪的一部分,能迅速对物相进行分析;18.举例说明材料数据库应用的实例;答：材料数据库应用的实例1计算机选材系统;选材系统可以查询材料基本信息、加工应用和商业信息;2合金相图数据库系统;合金相图数据库系统可以方便查询到合金系中合金状态、温度和成分之间的关系;3数据库用于材料热处理工艺设计;在热处理工艺数据库的基础上,开发了CAPP,使工艺设计中的工艺参数选择、保温时间的计算、零件图形的绘制等工作均由计算机来自动完成;4数据库在材料物相分析中的应用;该数据库可以方便的检索物相、计算物相质量分数等;19.完整的专家系统由六个组成部分的功能：1知识库：用于存放领域专家提供的专门知识,它有知识的数量和质量之分,要选择合适的知识表达方式和数据结构、把专家的知识形式化并存入知识库中;2工作数据库：包含问题的有关初始数据和求解过程的中间信息组成;3推理机：它要解决如何选择和使用知识库中的知识,并运用适当的控制策略进行推理来实现问题的求解;4知识获取机制：实现专家系统的自我学习,在系统使用过程中能自动获取知识,不断完善扩大现有系统功能;5解释机制：专家系统在通用户的交互过程中,回答用户提出的各种问题,包括与系统运行有关的求解过程和与运行无关的关于系统自身的一些问题;6人机接口：实现系统与用户之间的双向信息转换,即系统将用户的输入信息翻译成系统可以接受的内部形式,或把系统向用户输出的信息转换成人类所熟悉的信息表达方式;20.将专家系统分为下列几类：1解释专家系统：通过对已知信息和数据的分析与解释,确定它们的含义,如图像分析、化学结构分析和信号解释等;2预测专家系统：通过对过去和现在已知状况的分析,推断未来可能发生的情况,如天气预报、人口预测、经济预测、军事预测;3诊断专家系统：根据观察到的情况来推断某个对象机能失常即故障的原因,如医疗诊断、软件故障诊断、材料失效诊断等;4设计专家系统：工具设计要求,秋初满足设计问题约束的目标配置,如电路设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、机械产品设计和生产工艺设计等;5规划专家系统：找出能够达到给定目标的动作序列或步骤,如机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案等;6监视专家系统：对系统、对象或过程的行为进行进行不断观察,并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较,以便发现异常情况,发出警报,如核电站的安全监视等;7控制专家系统：自适应地管理一个受控对象的全面行为,使之满足预期的要求,如空中交通管制、商业管理、作战管理、自主机器人控制、生产过程控制等;21.实现"材料设计"的主要原因基本条件有以下三点：1基础理论物理和化学,特别是固体理论、量子化学和化学键理论的完善和发展；2计算机信息处理技术特别是人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等的建立和发展；3先进的材料生产和制备技术的发展：采用如急冷Splat Cooling、分子束外延MBD、有机金属化合物气相沉积、离子注入、微重力制备等;1、人工神经网络的特点和优越性表现在哪几个方面1具有自学习功能;2具有联想存储功能;3具有高速寻找优化解的能力;2、数据库数据主要特征包括1数据共享2数据独立性3减少数据冗余4数据的结构化5统一的数据保护功能;4、简述专家系统的工作过程：专家系统的工作过程大致描述为：系统根据用户提出的目标以综合数据库为出发点,在控制策略的指导下,由推理机运用知识库中的有关知识,通过不断的探索推理以实现求解的目标,因此,知识库与推理机是专家系统的核心部分,专家系统的工作过程是以知识为基础、对目标问题进行求解的过程是一个搜索过程;6、什么是人工神经网络,并画出经典人工神经网络连接形式人工神经网络是一种信息处理技术,力图模拟人类处理问题方式去理解＆利用信息;人工神经网络既可以解决定性问题,又可以解决用于直接解决定量问题,具有较好的可靠性;擅长处理复杂的多元非线性问题；具有自学能力,能从已有的实验数据中自动总结规律;7、人工神经网络的结构形式有那些,并画出结构示意图1前馈式网络2输入输出有反馈的前馈网络3前馈内层互联网络4反馈型全互联网络5反馈型局部连接网络8、人工神经网络有那些类型1解释专家系统2预测专家系统3诊断专家系统4设计专家系统5规划专家系统6监视专家系统7控制专家系统9、什么是数据库管理系统数据库管理系统简称DBMS是一组通用的程序,对数据库中数据的各种操作提供一种共用的方法,接受并完成用户提出的访问数据库的各种请求,负责数据库的建立、操纵、管理＆维护;其任务就是在保证数据安全、可靠的同时,提高数据应用时的简明性＆方便性;数据库又可分为层次型、网络型和关系型三种;10在计算机控制系统中,什么是可靠性衡量可靠性的指标是什么可靠性:是指计算机控制系统能够无故障运行的能力,具体衡量可靠性的指标是“平均故障时间”;发生故障的间隔时间越长,则系统的可靠性就越高;11、在计算机工业控制系统中,硬件系统的五大组成部分是什么微型计算机、外部设备、外围设备、工业自动化仪表和被控工业对象12、在计算机控制系统中,什么是可维护性可维护性：是指日常进行维护时的方便程度,并在发生故障时能尽量缩短故障时间;13、什么是传感器传感器是信息获取过程中的一个环节,是将被测对象的物理参数转换成相应的易于检测、传送或控制的模拟信号的器件,由敏感元件和部分测量电路组成;14、举出至少五个可以通过教育网进行检索的全文数据库;.中国知识资源总库；2万方数据库；3维普资讯中文期刊库；4超星电子图书；5ACS期刊美国化学学会；6ScienceDirect；7Springer-Link全文期刊；7EBSCO欧美期刊全文;22.人工神经网络与材料工艺优化：材料在加工处理过程中,对最终性能的影响因素较多,关系较复杂,难以建立明确的数学模型；采用人工神经网络优化加工工艺能取得良好的效果;例：用人工神经网络方法优化7175铝合金工艺：将变形量、固溶时间和时效时间作为网络输入、合金抗拉强度和屈服强度作为输出,建立3× 6 × 2的三层BP网络,用遗传算法对训练好的网络进行优化,得到了7175铝合金在170℃时效处理的最优工艺为：冷变形％+480℃/133min固溶+170℃/10h时效;23.简述多尺度材料设计的层次与相应的计算模拟方法;答：多尺度材料设计的层次从广义来说,可按研究对象的空间尺度不同而划分为三个层次：1微观设计层次,空间尺度在约1nm量级,是原子、电子层次的设计；2连续模型层次,典型尺度在约1um量级,这时材料被看成连续介质；3工程设计层次,尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究;所涉及的计算模拟方法分别为：量子化学第一性原子计算,分子动力学模拟,蒙特卡洛模拟,相图计算技术,相场模拟,有限元分析和概率断裂力学方法;24.分析电子显微方法：1.电子能量损失谱法EELS：这种方法是分析电子显微方法中重要的技术之一,对轻元素的分析特别有效,还可以对材料的微区组成进行定量分析;射线能谱法EDS：它也是分析电子显微方法中的成熟的基本技术,利用电子扫描观察装置,使电子束在待测试样上作二维扫描,测量其特征X射线的强度,从而得到特征X射线强度的二维分布图像,这种观察称为元素的面分布分析方法,所以对测量元素的二维分布极为有效;3.高角度散色暗场法STEM,即Z衬度法：这是扫描透射电子显微方法应用之一;上述的各种分析设备几乎都是在计算机采集和数据处理系统的控制下进行工作,而计算机控制系统都配备了不同的设备控制、数据处理分析软件,且功能强大,对检测结果的分析精度和详尽程度是人工无法比拟的;25.计算机材料缺陷评定系统软件构成：1图像采集及存储模块：用于实现参数定义、采集及存储图像;用此模块,计算机控制投影仪、显微镜、摄像机、采集和实时显示欲分析的材料图像,并以文件形式存储该图像备案;2图像预处理模块：主要用于图像增强;此模块主要包括：图像数字化、消噪处理、图像增强、锐化处理、二值化等计算机图像技术处理,以改善缺陷的图像质量;3特征提取模块：用于针对缺陷的特征,提取被采集部位的图像的缺陷信息,采用合适的识别准则判定缺陷的类型、位置等,列出缺陷的主要特征参数表格;4分析模块：主要用于列出各种缺陷分布情况结果,负责数据存储并评定级别;26. 万能材料试验机的计算机辅助测试系统CAT1系统工作原理及主要装置检测控制采用特殊的PWM数控电液比例微小流量阀：即可实现缓慢或微小的位移控制,又能实现一定速度的试验过程控制；既能作应力控制,也能作应变控制,还能作二者复合控制,且其控制范围相当宽;由计算机、 PWM流量阀和直接驱动流量阀的多功能板卡构成材料试验机的PWM数字伺服系统,使材料试验机的控制精度、控制稳定性、控制范围和软件设汁的难易程度都有较大的改善;。
材料工程中的计算机应用技术
计算机
图象处理的计算机硬件系统
USB硬盘 刻录机 打印机
一、主机 二、图象输入设备
1. 数码相机 2. 扫描仪 3. 数字专用设备（例：数字式显微镜）
三、图像输出及存储设备
常用的存储设备： 1. 大容量磁盘（驱动器） 2. 刻录光盘（驱动器） 3. 活动硬盘 4. 闪存类存储器
位图图像和矢量图形的基本概念
际上是由“反相”、“色调分离”、“亮度／ 对比度”等多个命令组成的。因此，该命令功 能十分强大，可以进行较有弹性的调整。
“曲线”命令：
首先打开一幅图片；
执行“图像\调整\曲线” 命 令 或 按 下 “ Ctrl ＋ M” 组合键打开“曲线”对 话框。
PhotoShop包含了丰富的图片处理功能，
还可以对图片进行旋转、翻转、裁减、缩放
用鼠标调整
十一、创建图表
步骤 ：
选择要制成图表的数据 单击常用工具栏中的ChartWizard按钮 这时会弹出一个“ChartWizard”对话框 按照“图表向导”中的指导进行操作
第六部分 材料工程中的计算机图象处理
图象处理的计算机硬件系统
数码相机
扫描仪 网络资源
各种数字式 专用设备
输入
输出及存储
颜色模式
RGB模式
灰度模式 位图模式
注意4点：
1. 灰度模式的图像可以直接转换成黑白图像
和RGB的彩色图像，同样黑白图像和彩色图
像也可以直接转换成灰度图像；
2. 当要将一幅彩色图像转换成黑白图像时，必
须先将该图像转换成灰度模式的图像，然后 再将它转换成只有黑白两色的图像，即位图
模式的图像；
3. 当一幅灰度图像转换成黑白图像后，若再转
4．删除工作表
计算机在材料科学与工程中的应用题集
计算机在材料科学与工程中的应用题集一、选择题1. 在材料科学中，正交实验设计主要用于：A. 预测材料性能B. 单一变量研究C. 复杂系统建模D. 多因素交互作用分析答案: D. 多因素交互作用分析2. 正交表在正交实验设计中的主要作用是：A. 确定实验次数B. 预测实验结果C. 安排实验因素水平D. 评估实验误差答案: C. 安排实验因素水平3. 下列哪项不是正交实验设计的优点？A. 减少实验次数B. 提高实验效率C. 精确控制单一变量D. 便于分析多因素交互效应答案: C. 精确控制单一变量（正交实验设计主要关注多因素交互，而非单一变量）4. 在使用正交实验设计软件时，首先需要：A. 设定实验结果预期B. 确定实验因素及水平C. 分析历史数据D. 选择合适的正交表答案: B. 确定实验因素及水平5. 正交实验设计中的“水平”指的是：A. 实验的重复次数B. 实验因素的不同取值C. 实验结果的精确度D. 实验设备的型号答案: B. 实验因素的不同取值6. 下列哪项是分析正交实验结果时常用的方法？A. 方差分析B. 回归分析C. 因子分析D. 以上都是答案: D. 以上都是7. 正交实验设计能够有效减少实验次数，主要是因为：A. 减少了实验误差B. 简化了实验流程C. 利用正交表合理安排实验D. 提高了实验结果的可靠性答案: C. 利用正交表合理安排实验8. 正交实验设计中，如果某个因素有3个水平，另一个因素有2个水平，那么至少需要进行的实验次数是：A. 2B. 3C. 5D. 6答案: D. 6（正交表的选择会基于各因素的最大水平数，通常需要选择能容纳所有因素及其水平的最小正交表）9. 在分析正交实验结果时，如果某个因素的极差（Range）最大，说明：A. 该因素对实验结果影响最小B. 该因素对实验结果影响最大C. 该因素与其他因素无交互作用D. 实验结果完全由该因素决定答案: B. 该因素对实验结果影响最大10. 正交实验设计的结果分析不包括以下哪项内容？A. 计算各因素的极差B. 绘制因素与指标的关系图C. 预测未来实验结果D. 分析多因素间的交互作用答案: C. 预测未来实验结果（正交实验设计主要用于分析现有实验数据，而非预测未来结果）11. 在选择正交表时，以下哪个因素不是主要考虑的？A. 实验因素的数量B. 各因素的水平数C. 实验结果的精确度要求D. 实验人员的个人喜好答案: D. 实验人员的个人喜好（正交表的选择应基于实验设计的科学性和统计要求）12. 正交实验设计在材料改性研究中，常用于：A. 确定最佳改性条件B. 评估改性材料的市场价值C. 预测改性材料的寿命D. 分析改性材料的微观结构答案: A. 确定最佳改性条件13. 当正交实验设计的结果显示两个因素之间存在显著的交互作用时，应进一步：A. 忽略该交互作用B. 仅分析其中一个因素C. 进行交互作用图的绘制与分析D. 增加实验次数以确认结果答案: C. 进行交互作用图的绘制与分析14. 在材料科学研究中，采用正交实验设计后，通常需要进一步进行：A. 重复实验验证B. 单一变量补充实验C. 数据拟合分析D. 以上都是答案: D. 以上都是15. 在材料力学分析中，用于模拟复杂应力状态下材料行为的常用数值方法是？A. 有限元法B. 有限差分法C. 蒙特卡洛模拟D. 分子动力学模拟答案: A. 有限元法16. 哪种软件常用于材料科学中的三维结构模拟与优化？A. MATLABB. SolidWorksC. COMSOL MultiphysicsD. Autodesk Inventor答案: C. COMSOL Multiphysics17. 在进行材料断裂力学分析时，主要关注的是哪个参数？A. 弹性模量B. 应力强度因子C. 泊松比D. 屈服强度答案: B. 应力强度因子18. 下列哪项技术可用于预测材料在极端条件下的性能变化？A. 密度泛函理论B. X射线衍射分析C. 分子动力学模拟D. 扫描电子显微镜答案: C. 分子动力学模拟19. 在材料结构分析中，哪种方法能够直接观察材料的内部微观结构？A. 有限元分析B. 透射电子显微镜C. 数值模拟D. 红外光谱分析答案: B. 透射电子显微镜20. 材料科学中，用于模拟材料在加载条件下应力分布的软件通常是？A. AutoCADB. ANSYSC. OriginD. SPSS答案: B. ANSYS21. 哪种分析技术可以评估复合材料中各组分间的界面结合强度？A. 纳米压痕测试B. 扫描隧道显微镜C. 微观力学模型D. 拉曼光谱分析答案: C. 微观力学模型22. 在材料疲劳分析中，为了评估材料的寿命，常用的方法是？A. 应力-应变曲线分析B. 疲劳裂纹扩展速率测试C. 硬度测试D. 热重分析答案: B. 疲劳裂纹扩展速率测试23. 下列哪个软件常用于材料的相图计算和热力学模拟？A. MATLABB. Thermo-CalcC. SolidWorksD. Gaussian答案: B. Thermo-Calc24. 在进行材料的热应力分析时，主要考虑的是材料的哪项性质？A. 导热系数B. 弹性模量C. 密度D. 熔点答案: A. 导热系数25. 材料科学中，模拟材料在腐蚀环境下的行为常用哪种方法？A. 蒙特卡洛模拟B. 有限元腐蚀模拟C. 电化学测试D. 密度泛函理论答案: B. 有限元腐蚀模拟（注意：虽然实际中“有限元腐蚀模拟”不是标准术语，但这里为了题目设计而使用，意在表达使用有限元方法进行腐蚀行为的模拟）26. 在材料科学研究中，为了分析材料的微观缺陷，常用的技术是？A. 超声波检测B. 透射电子显微镜C. 红外热成像D. 激光粒度分析答案: B. 透射电子显微镜27. 在进行材料的力学性能测试时，用于评估材料韧性的主要指标是？A. 硬度B. 弹性模量C. 冲击韧性D. 屈服强度答案: C. 冲击韧性28. 在模拟材料的高温蠕变行为时，关键考虑的是材料的哪个性质？A. 弹性模量B. 蠕变极限C. 断裂韧性D. 熔点答案: B. 蠕变极限29. 下列哪种技术用于分析材料在加载过程中的变形和应力分布？A. 扫描电子显微镜B. 数字图像相关法（DIC）C. 红外光谱D. 能量色散X射线光谱（EDS）答案: B. 数字图像相关法（DIC）30. 在材料科学中，为了模拟材料的热传导过程，常用的软件是？A. ANSYSB. GaussianC. MATLABD. AutoCAD答案: A. ANSYS31. 第一性原理计算中，用于描述材料电子结构的理论框架主要是？A. 密度泛函理论B. 经典力学C. 统计力学D. 量子力学答案: D32. 在第一性原理计算中，哪个参数对于描述固体的能带结构至关重要？A. 晶胞大小B. 原子间距C. 离子电荷D. 布里渊区答案: D33. 下列哪个软件常用于第一性原理计算的密度泛函理论模拟？A. MATLABB. AutoCADC. GaussianD. VASP答案: D34. 第一性原理计算中，用于近似处理多电子体系中电子间相互作用的常见方法是？A. 玻尔模型B. 哈特里-福克方法C. 密度矩阵方法D. 局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA）答案: D35. 哪种类型的计算在第一性原理模拟中通常用于研究材料的表面和界面性质？A. 分子动力学模拟B. 蒙特卡洛模拟C. 量子蒙特卡洛模拟D. 平板模型计算答案: D36. 在第一性原理计算中，为了获得更准确的电子结构信息，经常需要优化哪个参数？A. 原子质量B. 离子半径C. 晶格常数D. 截断能答案: D37. 下列哪个物理量在第一性原理计算中通常用于描述材料的磁性？A. 电导率B. 介电常数C. 热导率D. 磁矩答案: D38. 在进行第一性原理计算时，哪个步骤通常涉及求解Kohn-Sham方程？A. 初始化参数B. 能量最小化C. 自治场迭代D. 能带结构分析（尽管不直接求解K-S方程，但C项更接近实际求解过程）答案: C（注意：D项不直接相关，但C项是求解K-S方程的核心步骤）39. 第一性原理计算中，用于描述材料光学性质的物理量通常是什么？A. 折射率B. 电阻率C. 介电函数D. 复介电常数答案: D40. 下列哪个算法在第一性原理计算中常用于处理材料的声子谱？A. 密度泛函微扰理论（DFPT）B. 分子动力学C. 蒙特卡洛方法D. 超胞法结合有限位移法答案: A（但D项也是实际操作中可能用到的方法之一，但A项更直接相关）（注意：第40题的D选项虽然在实际中可能用于计算声子谱，但A 选项的DFPT是第一性原理计算中更直接用于声子谱计算的方法。
计算机在材料工程中的应用
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。
2.6材料加工过程的计算机控制
生产过程自动控制是生产过程现代化的标志之 一。在材料加工控制领域, 运用较多的是微型计 算机和可编程控制器。计算机在材料加工中的 应用包括以下几个方面物化性能测试数据的自 动聚集和处理、加工过程的自动控制、计算机 辅助设计和制造、计算机辅助研究、材料加工 过程的全面质量管理等。
2.4相图计算及其软件
相图是描述相平衡系统的重要几何图形, 通过 相图可以获得某些热力学资料反之, 由热力学 数据建立一定的模型也可计算和绘制相图。 用计算机来计算和绘制相图有了广泛的应用。
Thermo-Calc包括物质和溶液数据库、热 力学计算系统和热力学评估系统。Fact包 括物质和溶液两个数据库及一套热力学和 相图等的优化计算软件。这些软件的共同 特定是集成了具有自洽性的热化学数据库 和先进的计算软件。可用于各种类型的二 元、三元和多元相图的平衡计算。
2.2材料科学研究中主要物理场的数值 模拟
包括材料的传热(温度场)、应力场(力 学问题)和浓度场(内部原子的迁移流动) 等的计算, 以上问题即可采用前述的有 限元分析法进行模拟“ 传热传质过 程”。
材料内部原子迁移的微观过程和由此引 起的物质的宏观流动与材料在生产和使 用过程中的许多物理化学过程密切相关, 因此使用有限元法对扩散的浓度场进行 计算的技术具有重要的意义。
计算机在材料科学中的应用2
第一章 材料科学研究中的数学模型1. 数学模型的分类1.按照人们对实体的认识过程来分,数学模型可以分为描述性数学模型和解释性数学模型2.按照建立模型的数学方法分,可以分为初等模型、图论模型、规划论模型、微分方程模型、最优控制模型、随机模型、模拟模型等。
3.按照模型的应用领域分,可以分为如人口模型、交通模型、环境模型生态模型、水资源模型、再生资源利用模型、电气系统模型、传染病模型和污染模型等。
4.按照模型的特征可以分为静态模型和动态模型、确定性模型和随机模型、离散模型和连续性模型、线性模型和非线性模型等5.按照对模型结构了解的程度可以分为白箱模型、灰箱模型和黑箱模型。
它们分别代表人们对原型的丙在机理了解得清楚，不太清楚，不清楚2.数学模型的作用数学模型的根本作用在于它将客观原型进行抽象和简化,便于人们采用定量的方法去分析和解决实际问题。
正因为如此,数学模型在科学发展、科学预见科学预测、科学管理、科学决策、驾驭市场经济乃至个人高效工作和生活等众多方面发挥着特殊的重要作用。
3.建立数学模型的一般步骤和原则1.建模准备建模准备是确立建模课题的过程,就是要了解问题的实际背景,明确建模目的。
2.建模假设作为课题的原型往往都是复杂的、具体的。
这样的原型,如果不经过抽象和二简化,人们对其认识是困难的,也无法准确把握它的本质属性。
而建模假设就根据建模的目的对原型进行适当的抽象、简化把那些反映问题本质属性态、量及其关出来,简化掉那些非本质的因素、使之摆脱原来的具体形态,形成对建模有用的信息资源和前提条件。
这是建立模型最关键的一步。
3.构造模型在建模假设的基础上,进一步分析建模假设的内容,首先区分哪些是常量哪些是变量,哪些是已知的量、哪些是未知的量,然后查明各种量所处的地位作用和它们之间的关系,选择恰当的数学工具和构造模型的方法对其进行表征构造出刻画实际问题的数学模型 在构造模型时究竟采用什么数学工具,要根据问题的特征、建模的目的要求及建模人的数学特长而定。
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料领域中的应用
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。
材料科学专业主要是培养新材料开发研究人才，而计算机是现代材料科学研究中必不可少的工具用计算方法来研究材料，对材料的性能进行预测和指导，就是根据相关理论，采用合适的计算模型和计算方法，确立材料的理论模型，有目的地指导制备所需性能的材料。
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。
计算机在材料学中的应用
光学性能等。
化学性能测试
03
通过化学分析、腐蚀试验等方法，测定材料的化学成分、耐腐
蚀性、抗氧化性等。
计算机辅助测试技术
自动化测试系统
利用计算机控制试验过程，实现数据采集、处理和分析的自动化。
虚拟仿真技术
通过计算机模拟材料的性能表现，预测其在不同条件下的行为。
图像处理技术
应用计算机视觉和图像处理技术，对试验过程中的现象进行实时 监测和记录。
计算机在材料学中的 应用
目录
• 计算机辅助材料设计 • 材料数据库与信息管理 • 计算机在材料制备中的应用 • 计算机在材料性能测试中的应用
目录
• 计算机在材料科学研究中的应用 • 计算机在材料学教育中的应用
01
计算机辅助材料设计
设计原理与方法
基于物理模型的设计
多尺度模拟
利用计算机模拟材料的原子、分子结 构以及相互作用，预测材料的物理和 化学性质。
05
计算机在材料科学研究中 的应用
材料基因组计划
材料基因组计划旨在通过集成计算、实验和数据库等技术，加速新材料的发现和应 用。
该计划利用高通量计算和实验方法，对材料性能进行快速预测和筛选，大大缩短了 新材料从发现到应用的时间。
材料基因组计划还推动了材料科学领域的数字化和智能化发展，为材料设计、合成 和性能优化提供了强有力的支持。
利用计算机强大的数据处理能力，对实验数据进行自动采集、处理和分
析，提高实验数据的准确性和可靠性，同时减轻学生的数据处理负担。
03
协作与交流平台
建立虚拟实验室的协作与交流平台，方便学生之间、学生与教师之间进
行实验讨论和合作，促进学术交流和合作创新。
在线教育平台与资源共享
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1、在Origin的编辑窗口中，-用鼠标取屏幕上的座标值B、-用鼠标取曲线上的数据，-在图中加入标记的文字
2、在Origin的编辑功能中，线性拟合处理的对象是实验点接近线性关系的数据
3、下列哪项是photoshop中默认的格式PSD
4、单击图层调板上图层左边的眼睛图标
5、魔棒工具
6、若要对图像进行自由变换，可以先单击编辑菜单，再找到“自由变换”命令。
7、在用选择工具进行选区的选择时，如果要将几次选择的结果相加，可以在工具箱中选择某一种选择工具，再在工具属性栏上单击添加到选区按钮，然后在图像上进行选择。
8、Photoshop中对图像进行存储，如果要保留各个图层，可以将图像存储为PSD格式。
9、图象分辨率的单位是ppi
10、使用圆形选框工具时，需配合Shift键才能绘制出正圆。
油漆桶工具属于填充工具组的是
11、在Photoshop中，通常以DPI为单位来衡量图像的清晰度。
12、位图图像是由许多点组成，这些点称为像素。
图像的大小取决于像素的多少
13在操作中如果想要在不裁切的情况下，缩小原图像文件的存储容量，可用的操作是调整图像大小
14组成位图图像的基本单元是像素
15、一个8位图像支持的颜色有256种。
16、photoshop中历史记录面板主要用于记录用户的操作步骤，而且可以根据需要将操作步骤恢复到前期操作的某一步。
17、布拉格公式：（d = n λ / 2 Sin θ）
18、X射线的波长非常短，与晶体的晶面间距基本上在同一数量级。
因此，若把晶体的晶面间距作为光栅，用X射线照射晶体，就有可能产生衍射现象。
19、解析ＸＲＤ图谱时，最常用的ＰＤＦ卡片法
20、由Origin编辑和绘制的图形，可以直接复制/粘贴到word文档中的任何地方。
21、Origin文档也可以引入Excel数据
22、Origin文档保存项目的缺省后缀为：OPJ
23、从ICSD数据库中可以查得PDF数据。
24、计算机中的图像主要分为两大类：矢量图和位图，Photoshop中绘制的是矢量图和位图。
25、图像的分辨率是指图像单位面积上的象素个数。
26、选区和路径都必须是封闭的？
27、.doc类型的文件可以置入到Photoshop中？
28、从XRD图谱中我们可以得到什么信息？
（1）根据各衍射峰出现的位置（即2 θ值），用布拉格公式可以算出其晶面间距d。
（2）将最高的衍射峰的高度（或称射线强度I1）定为100 % ，就可以定出其余衍射峰的相对强度I/ I1 。
（3）根据不同的实验目的还可以测定衍射峰的积分强度，衍射峰的半高宽等等。
29、衍射峰的位置、峰宽、峰面积和峰的形状各反映了被测试样的什么性质？
衍射峰的位置，反映了晶胞的大小、形状，用于物相鉴定
峰宽，反映了晶粒大小
峰面积，用于物相定量分析
峰形状，反映了物相的结晶状态，用于区分非晶质与结晶质
30、磁性套索工具和魔棒工具的不同之处。
答：磁性套索工具适合选取边缘与周围颜色差别比较大的区域，区域内部颜色复杂与否无关紧要，而魔棒工具适合选取图像中颜色相同或相似的区域，区域内部颜色如果差别大则不能选取。
31、请说明X衍射物相分析的基本原理是什么？
任何一种结晶物质都具有特定的晶体结构，在一定波长的X射线照射下，不同的晶体结构产生完全不同的衍射花样，不可能有两种晶体结构的衍射花样完全相同，多相试样的衍射图谱不因为存在多相而产生变化，只是各自衍射花样的机械叠加
32、请说明多相混合物物相定性分析的原理？
答：多相分析原理是：晶体对X 射线的衍射效应是取决于它的晶体结构的，不同种类的晶体将给出不同的衍射花样。
假如一个样品内包含了几种不同的物相，则各个物相仍然保持各自特征的衍射花样不变。
而整个样品的衍射花样则相当于它们的迭合，不会产生干扰。
这就为我们鉴别这些混合物样品中和各个物相提供了可能。
关键是如何将这几套衍射线分开。
这也是多相分析的难点所在。
33、所有JCPDS卡片上的物质,都可以从ICSD数据库输出*.cif文件吗?
JCPDS是粉末衍射数据库，而ICSD是无机晶体结构数据库，所以对于JCPDS卡片中的某一物相，只要ICSD数据库中有对应的物相，就可以从ICSD数据库中导出*.cif文件。
但并不是所有的JCPDS卡片中物相都能在ICSD数据库中找到对应的结构数据，因为我们知道，对于某一物相，我们要收集到它的粉末衍射数据是比较容易的，但是，对于得不到单晶的物相来说，要想从粉末数据解出晶体结构是不容易的。
34、用Jade5软件可以进行XRD定量分析吗?
XRD定量分析的基础数据是样品中各组成物相的强度数据（原理上应该用峰的面积数据），余下的工作便是些乘除比例的运算了，使用表格软件（如WPS Ofice的"WPS表格"、微软的Excel）完成甚为方便。
因此，使用任一能够获得峰面积或峰高的软件工具都可以进行XRD 定量分析，当然，有Jade软件更为方便。
1.ORIGIN 与其他绘图软件的区别及特点
与WORD和EXCEL相比，ORIGIN功能更强大，可支持多种数据格式输入且可以支持编程；与Matlab、Maple相比，Matlab和Maple需要一定的计算机编程知识和矩阵知识，而ORIGIN 更为简单易学、操作灵活：
Origin具有两大主要功能：数据分析和绘图。
绘图包括：二维数据图形绘制、三维数据图形绘制…多层数据图形绘制以及曲线拟合。
数据分析包括：简单数学运算、统计分析、快速傅里叶变换、数据平滑与滤波、基线和峰值分析等。
Origin是美国Microcal公司出的数据分析和绘图软件,
功能：origin的数据分析与数据统计功能、origin的图表功能、origin的绘图功能
能读取的文件格式：.TXT .xls .dbf
文件的尾缀：.opj
特点：使用简单，采用直观的、图形化的、面向对象的窗口菜单和工具栏操作，全面支持鼠标右键、支持拖方式绘图等。
两大类功能：数据分析和绘图。
数据分析包括数据的排序、调整、计算、统计、频谱变换、曲线拟合等各种完善的数学分析功能。
准备好数据后，进行数据分析时,只需选择所要分析的数据,然后再选择响应的菜单命令就可.Origin的绘图是基于模板的,Origin本身提供了几十种二维和三维绘图模板而且允许用户自己定制模板.绘图时,只要选择所需要的模版就行。
用户可以自定义数学函数、图形样式和绘图模板；可以和各种数据库软件、办公软件、图像处理软件等方便的连接；可以用C等高级语言编写数据分析程序，还可以用内置的Lab Talk 语言编程等。
2、Photoshop在图像处理中的特点？
3、XRD分析软件jade5.0的特点？。