计算机在材料科学中的应用

计算机在材料科学中的应用

李伟

(XX财税职业学院信息工程系XX 430064)

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。

关键词计算机技术材料科学应用

1 引言

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。

2 计算机在材料科学中的应用领域

2. 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间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[ 1 ] , [ 3 ] 。2. 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。

2. 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。

2. 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。

194 计算机与数字工程

第35卷

3 收到本文时间: 2006年9月21日

作者简介:李伟,女,主讲教师。

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。

3 计算机的具体应用

3. 1液态金属成形的计算机模拟

(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[ 4 ] , [ 5 ] 。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[ 6 ] , [ 7 ] 。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