计算机在材料科学与工程中的应用

1.3.7 计算机技术用于材料性能表征与检测
材料性能的测定大多使用专门的测试设备和仪 表。如果使用计算机来控制整个系统，使其协调运 行，进行数据采集和数据处理，通常使整个系统的 功能得到飞跃性增强。计算机化得材料性能测试系 统(CAT系统)是提高材料研究水平的重要手段。由 于计算机灵活的编程方式、强大的数据处理能力和 很高的运算速度，使得CAT系统可以实现手动方式 不能完成的许多测试工作，提高了材料试验研究的 水平和测试精度。
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计算机模拟
X射线实时观察
实际生产
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图中是一个大型钢锭的充型过程模拟，其中用到专业模拟软件view cast，从动 画中可以清楚的看到整个铸件充型过程。
美国国家研究院材料科学与工程委员会 《90年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力》 材料科学与工程领域存在 四个要素（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成 与加工） 两个关键（仪器设备和分析建模）
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四个要素
Performance 使用性能
Composition & Processing 成分与工艺
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。
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利用计算机可以大量保存并方便快速查找 实验数据, 而且更重要的是可以对数据作进一 步的后续处理计算、绘图、拟合分析等。目前, 可用于数据管理、计算、绘图、解析和拟合分 析的软件很多, 有些功能强大, 有些则相对简 单、专业化。比如origin可以对科学数据进行 一般的处理与绘图, 对实验数据进行常规处理
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。
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。利用计算机的图像处 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。
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数学模型建立是一种具有创新性的科学方
法,它将现实问题简化, 抽象为一个数学问题 或数学模型, 再采用适当的数学方法求解, 进
障、条件。
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材料设计一般可分为三个层次（按照设计对象和 所涉及的空间尺寸可分）：微观设计层次，尺度约1nm 数量级，是电子、原子、分子层次的设计；介观设计 层次，尺度约为1µm数量级，材料被看作是连续介质、 是组织结构层次的设计；宏观设计层次。尺度对应于 宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用 的设计研究，是工程应用层次的设计。不同的结构层 次有不同理论和方法，不同层次之间常常相互交叉、 不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。
7、材料科学中计算机的应用-----乔宁（中国纺织出版社,2007） 8、计算机在材料科学与工程中的应用—张朝晖（中南大学出版社,2008）
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目 录
第一章 计算机在材料与工程中的应用概述
第二章 材料科学与工程中数据的计算机处理（原理、方法以及计算 机的实现）
第三章 材料数据库及专家系统
第四章 人工神经网络
第1章 计算机在材料科学与工程中应用概述
1.1.1 材料的作用与分类
材料是人类社会 发展的里程碑， 是人类生产和生 活水平提高的物 质基础，是现代 文明进步的重要 标志和发展高新 技术的基础和先 导。 石器时代 铜器时代 铁器时代 当代文明三大支柱（20世纪60年 代说法）：材料、能源和信息 新技术革命主要标志（ 20世纪 70年代说法）：新材料、信息技 术和生物技术
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主要参考资料
1、计算机在材料科学与工程中的应用---杨明波 胡红军 唐丽文（化学工 业出版社,2008） 2、计算机在材料工程中的应用---汤爱涛 (重庆大学出版社,2008) 3、计算机在材料科学与工程中的应用--- 曾令可(武汉理工大学出版社,2004) 4、计算机在材料科学中的应用-----许鑫华（机械工业出版社,2003） 5、计算机在材料科学与工程中的应用-----刘兴江（东北大学出版社,2007 ） 6、计算机在材料科学中的应用-----李琼（电子科技出版社,2007）
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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。
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。
第五章 材料研究中的数学模型及分析方法 第六章 电子显微技术在材料科学中的应用
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本课程是一门专业基础课。
课程教学所要达到的目的：
了解计算机技术及网络技术在材料科学研究中的应用；
初步掌握在材料科学研究领域中更好地应用计算机的思路、方 法和原理； 初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去。

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计算机材料数据库具有存储信息量大、存取
速度快、查询方便、使用灵活、应用广泛等优 点。目前已有的材料数据库包括合金相图数据 库、陶瓷相图数据库、材料腐蚀数据库、材料 摩擦磨损数据库等,还包括材料力学性能数据
库、金属弹性性能数据中心和金属扩散数据中 心等数种各类数据库。
网络技术的发展使得材料数据库进一步走 向现代化,在材料研究、理化测试、产品设计 和决策咨询中得到广泛应用。 另外, 利用人工智能技术的材料加工等专 家系统也得到了很大的发展。包括预测专家系 统、诊断专家系统、设计专家系统、规划专家 系统、监视专家系统、控制专家系统等。

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计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了 有力保证。
Moore’s Law (1965)： 计算机的CPU速度 每24个月增加一倍。
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图中电脑处理器中晶体管数目的增长曲线符 合摩尔定律
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计算机在MSE的应用非常广泛:
材料科学是研究材料的组成与结构、 合成与制备、性能与应用以及它们之间相 互关系的一门科学,在所有的这些方面,计 算机都发挥了非常重要的作用。
钢材的性能主要取决于其内部的组织结构, 钢的常温组织是在加热之后的冷却过程中形成 和完成的, 为了使钢材获得某种预期的组织结 构, 就需要准确地测量钢在热处理或热加工过 程中的冷却过程。计算机模拟技术的开展使材 料的组织转变数值模拟成为可能, 钢的TTT曲 线和CCT曲线为组织转变提供了两种不同的模
而对现实问题进行定量的分析和研究, 最终达 到解决实际问题的目的。
典型模拟方法及所对应的模拟尺度
FDM= finite difference method, FEM=finite element method
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建立差分方程, 用有限差分代替无限微分, 以差分代数方程代替微分方程, 以数值计算代 替数学推导过程, 从而将连续函数离散化, 以 有限的, 离散的数值代替连续的函数分布。计 算机是实现上述离散和计算的强大工具。
拟途径。
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图中显示了计算 机模拟的不同时 刻的凝固枝晶形 貌图，不同的颜 色代表不同的浓 度分布。这样显 微组织形核、生 长等过程也将实 现“可视化”！
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三维等轴树枝晶形貌的模拟
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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。
材料是用 以制造有 用物件的 物质
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材 料 的 分 类
金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料
结构材料 功能材料 建筑材料 能源材料 电子材料 耐火材料 医用材料 耐火材料
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1.1.2 MSE研究内容
研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能 以及它们之间相互关系的科学。（Next page）
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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。
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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, 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。
材料设计是指通过理论分析与计算预报新材料 的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“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。20世纪50年代开始；80年 代实现这一目标的条件趋于成熟；计算机技术是保
和一般的统计分析,
计算机图像分析系统正逐渐成为辅助研究
材料结构与性能之间定量关系的一种重要手段。 图像处理主要是用常规软件(photo shop等)进
行材料的图像分析与处理, 例如, 材料凝聚态 结构单元的测量,利用图像色调整的方法进行 图像的二值化, 包括目标粒子的分离, 背景的 去除, 设定闭值进行二值化等。
有限元法是将连续的介质材料划分为许多
微小的单元有限个单元, 在确定其边界条件后 对其进行单元求解, 从而获得整体介质的相关
性能。有限元法的实现必须通过计算机, 利用 计算机强大而快速的数据计算、处理和存储能 力进行有限元计算。
有限元方法
网格划分
有限元模拟人脚走路受力情况
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主要是利用有限元软件进行分析, 方法是 先建立某个零件的几何模型, 然后赋予其一定 的材质钢材、木材等这些材质的力学等性能是 己知的, 施加载荷, 然后根据其边界条件进行 有限元分析。
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电子显微镜
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金相显微镜
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X射线衍射仪
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计算机作为一种现代工具, 在当今世界的各个 领域日益发挥巨大的作用, 它己渗透到各门学 科领域以及日常生活中成为现代化的标志。在 材料领域, 计算机也正在逐渐成为极其重要的 工具, 计算机在材料科学中的应用正是材料科 学飞速发展的重要原因之一。
用计算机来计算和绘制相图有了广泛的应用。
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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
Leabharlann Baidu
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。


大家对铸造过程并不陌生，传统的铸造工艺是“睁眼造型，闭眼 浇注”。我们不禁要问“闭眼”操作能做好吗？没错，“眼见为 实”在铸造工艺设计中非常重要，而金属液一旦进入模具型腔之 后我们就无法看到其动态流动、温度分布以及凝固过程。所以工 程师们只能凭经验和想象来设计模具，这很令人头疼，那么如何 才能看到整个铸造过程，让其在我们面前变得“可视”，从而优 化铸造工艺呢？ 首先采用计算机模拟技术和现代铸造理论，模拟铸件充型、温度 分布和凝固过程； 其次用三维X射线实时观察和监测浇注过程获得初步试验数据； 最后通过实际浇铸生产并与模拟、监测结果对比，确定最佳的生 产工艺。 通过这样三步，我们就实现了“可视化铸造”！
Properties 材料性能.
Structure 组织结构
Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989
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MSE特点：
多学科交叉的新兴科学。它与许多基础学 科有着不可分割的联系，如固体物理学、 电子学、光学、声学、量子化学、数学与 计算机等。 一门发展不成熟的学科，它的研究很大程 度依赖于实验和经验的积累，系统的研究 材料还有一个很长的过程。