计算机在材料中的应用
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计算机在材料科学与工程中的应用
重庆大学材料学院 汤爱涛
2011-2012学年第二学期
课程基本情况
教学目的 教学内容及安排 教学参考资料
说明
教学目的要求
介绍计算机技术在材料科学与工程领域应用基本 概况，学习将计算机技术用于解决材料科学中实 际问题的思路、方法与手段，重点学习计算机数 值模拟技术在材料加工过程中的应用,使同学们初 步掌握计算机技术在专业领域应用的基本知识、 相关数学方法以及有关软件的基本使用方法，开 拓同学们的思路和视野，培养同学们的创新能力。
教学参考资料
教材：计算机在材料工程中的应用，汤爱涛等主编，重
大出版社，2008
主要教学参考资料：
计算机在材料热加工领域中的应用，李英民等主编，
机械工业出版社，2001 计算机在材料科学与工程中的应用，曾令可等主编， 武汉理工大学出版社，2004
有关事宜说明
一、任课教师信息 主讲教师： 汤爱涛；电话：65106121； E-mail：tat@cqu.edu.cn 。 辅导教师： 肖璐（研究生）;电话：65111520 ； E-mail：19944134@qq.com 二、教学相关安排： 实验课时间：按实验调整课表安排进行 地点： A区综合大楼324室 答疑安排： 待定(协商) 三、成绩评定方法： 课程成绩由平时成绩30%和考试成绩70%组成； 平时成绩(平时作业、实验报告、学习态度、表现、能力) 。 四、其他：
课程教学内容及安排
1周 1章 绪论（1）
–
(24+16=36)
1周 2章材料科学与工程研究中的数据处理（3）
建模基础
2周 3章材料科学与工程研究中的数学模型与数值计算（4）
–
建模方法步骤
3周 4章 材料科学与工程中典型物理场的数值模拟（4）
–
典型模型的建立
4周 5章 相图计算（4） 5周 6章人工神经网络与专家系统及在材料科学与工程中的应用（4）
汽车零件成形模铸填充过程模拟得到的结果
凝固过程组织模拟(模拟区域为2.4mm × 2.4 mm )
B. Böttger et al.: "Controlling Microstructure in Magnesium alloy: A combined thermodynamic, experimental and simulation approach" Advanced Engineering Materials 8 4(2006)241
１．３主要使用的商业软件
一、通用软件 1、办公类 office 2、数据处理类 origin 3、计算模拟类 Matlab 有限元分析软件（ANSYS、MARC，国产有限元软件 FEPG等135个有限元分析软件） Flow3D 4、辅助设计测试 autocad
１．３主要使用的商业软件
二、专业类
1.
材料数据库 专家系统
计算机集成制造系统技术的应用
CAD 计算机辅助设计 CAE 计算机辅助工程分析 CAM 计算机辅助制造 CAPP计算机辅助工艺设计
材料科学基本要 素及之间的关系
实例1 模拟计算
(
a) 填充过程中的压力分布 (b) 填充过程中熔体前沿温度分布
(c) 填充过程中熔体温度分布 (d) 制件表面的分子趋向
Material studio
(1)Materials Visualizer:提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模 型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、 表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以及支 持MS的其他产品。是MS产品系列的核心模块。 (2)Discover: MS的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方 法，以仔细推导的力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分 子体系的结构和动力学轨迹等。 (3)COMPASS: 支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力 场。是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等 参数化并经验证的从头算力场。可以在很大的温度、压力范围内精确 地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热 物理性质。 (4)Amorphous Cell:允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型， 并对主要性质进行预测。通过观察系统结构和性质之间的关系，可以 对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物 和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度（CED）、状态方程行为、 链堆砌以及局部链运动等。
第一原理计算类
Material studio Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发 的一款可运行在PC上的模拟软件。它可以帮助解决当今 化学、材料工业中的一系列重要问题。支持Windows 98 、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的 Materials Studio使化学及材料科学的研究者们能更方便 地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分 子材料的性质及相关过程进行深入的研究。多种先进算 法的综合应用使Materials Studio成为一个强有力的模拟 工具。无论构型优化、性质预测和X射线衍射分析，以及 复杂的动力学模拟和量子力学计算，都可以通过一些简 单易学的操作来得到切实可靠的数据。
相互支持 共同进步
能源材料
材料的发展
１．２ 计算机在材料科学中的应用
计算机模拟技术的应用
应力应变 微观组织变化与描述（分子、原子、电子） 温度场 浓度场（组织场）应力场 流场 磁场等 相图计算
计算机控制技术的应用
工艺参数的自动控制 加工过程的自动控制
数据库技术的应用
组织模拟类
功能： 1、热力学--相图、热力学性能、凝固模拟、液相面、热液作用、变 质、岩石形成、沉淀、风化过程的演变、腐蚀、循环、重熔、烧 结、煅烧、燃烧中的物质形成 、CVD 图、薄膜的形成、CVM 计 算，化学有--无序等。 2、动力（DICTRA）--扩散模拟，如合金均匀化、渗碳、脱碳、渗 氮、奥氏体/铁素体相变、珠光体长大、微观偏析、硬质合金的烧 结等。 窗体底端
第一原理计算类
VASP
ASP是Vienna Ab-initio Simulation Package的缩写,它是使用赝势和 平面波基组，进行从头量子力学分子动力学计算的软件包，它基于 CASTEP 1989版开发。VAMP/VASP中的方法基于有限温度下的局域 密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD(Molecular Dynamics) 步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混合求解瞬时电子基态。这些 技术可以避免原始的Car-Parrinello方法存在的一切问题，而后者是基 于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电子的相互作用超缓 Vanderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。两种技术都可 以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波 数量。力与张量可以用VAMP/VASP很容易地计算，用于把原子衰减 到其瞬时基态中。
１章 绪论
1.1 计算机与材料科学的关系 1.2 主要应用领域 1.3 主要使用的商业软件
1.1 计算机与材料科学
计 算 机 技 术 的 发 展
计算机硬件 技术的发展 关系 计算机软件 技术的发展 计算机网络 技术的发展
传统材料的发展
低成本 高性能 超导材料 纳米材料
生物医用材料
新材料不断出现
热力学、相图计算类软件
pandat
概述：
（原产地:美国，全是中国人开发）热力学计算软件的后起者,主要是 抓住TC界面不友好和需要计算初值的弱点发展起来的，目前主要 是在金属材料也就是合金行业中发展，产品包括Pandat、 PanEngine和数据库 窗体底端
功能：
相图计算、热力学性能、凝固模拟、液相投影面、相图优化以及动 力学二次开发等。
计算模拟类
热力学、相图计算类软件 第一原理计算类 组织模拟类 材料加工类 辅助设计测试分析类
2.
辅助设计 辅助测试
Leabharlann Baidu
相分析软件
热力学、相图计算类软件 Thermo--calc
概述:
热力学计算软件的开拓者，软件开发历史比较悠久，因此软件功能比较完善 和强大，所涉及的领域比较广泛，包括冶金、金属合金、陶瓷、熔岩、硬质合金 、粉末冶金、无几物等等，产品主要包括TCC、TCW、DICTRA、二次开发工具 和数据库。
热力学、相图计算类软件 FactSage
概述：
（原产地：加拿大），主要是通过熔盐、氧化物、无机 物热力学计算发展起来的，非常适合冶金、化工等行 业应用，当然FactSage也能计算金属相图，其应用可 贯穿于整个冶金及材料加工过程。
功能：
多元相平衡计算、优势区图、电位-pH图的计算与绘制， 热力学优化、作图处理等 窗体底端
−
预测模型建立
6周 7章 计算机自动控制技术在材料科学与工程中的应用（4）
−
控制模型的建立
上机实验内容及安排
3周 3周 4周 4周 5周 5周 6周 6周
实验1 数据处理应用实践1——Excel的应用 实验2 数据处理应用实践2——Origin的应用 实验3 常用数学分析方法应用实践 实验4 温度场的模拟计算实践 实验5 浓度场的模拟计算实践 实验6 相图计算软件的应用实践 实验7 物相分析软件应用实践 实验8 人工神经网络应用实践
实例3 相图计算 Mg-Ca-Al
Design of Magnesium Alloy with Thermodynamic Database Report ,prof. liulibin,csu
实例4
材料数据库及专家系统
重庆大学的工作
１．３ 主要使用的商业软件
通用类 专业类
3. 组织模拟类
Material studio
(5)Reflex:模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮 助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的图 谱可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。包括 粉末衍射指标化及结构精修等工具。 (6)Reflex Plus:是对Reflex的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已 被广泛验证的Powder Solve技术。Reflex Plus提供了一套可以从高质量 的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具. (7)Equilibria:可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度 作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的virial 系数。适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、 石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控 制）、橡胶（作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。 (8)DMol3:独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、 溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材 料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子 反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合 热等性质。 (9)CASTEP:先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种 材料，可研究：晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表 面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光 学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶粒间界、 位错）、体系的三维电荷密度及波函数等 窗体底端
热力学、相图计算类软件 JMatPro
概述：
（原产地：英国，和ThermoTech是一家），定位非常新颖，主要是 做金属材料性能计算（其他材料不可用），如热力学性能、热物 理性能、机械性能、热处理相关性能（CCT/TTT、淬火）。数据 库和软件绑定在一起，没有软件和数据库之分。
功能：
相平衡计算、热物理性能计算、凝固性能计算、机械性能（强度、 硬度、蠕变）、热处理相变模拟（CCT/TTT、淬火等）等，目前 可为很多模拟软件提供基础材料数据（如ANSYS、Procast、 Magma等）。
重庆大学材料学院 汤爱涛
2011-2012学年第二学期
课程基本情况
教学目的 教学内容及安排 教学参考资料
说明
教学目的要求
介绍计算机技术在材料科学与工程领域应用基本 概况，学习将计算机技术用于解决材料科学中实 际问题的思路、方法与手段，重点学习计算机数 值模拟技术在材料加工过程中的应用,使同学们初 步掌握计算机技术在专业领域应用的基本知识、 相关数学方法以及有关软件的基本使用方法，开 拓同学们的思路和视野，培养同学们的创新能力。
教学参考资料
教材：计算机在材料工程中的应用，汤爱涛等主编，重
大出版社，2008
主要教学参考资料：
计算机在材料热加工领域中的应用，李英民等主编，
机械工业出版社，2001 计算机在材料科学与工程中的应用，曾令可等主编， 武汉理工大学出版社，2004
有关事宜说明
一、任课教师信息 主讲教师： 汤爱涛；电话：65106121； E-mail：tat@cqu.edu.cn 。 辅导教师： 肖璐（研究生）;电话：65111520 ； E-mail：19944134@qq.com 二、教学相关安排： 实验课时间：按实验调整课表安排进行 地点： A区综合大楼324室 答疑安排： 待定(协商) 三、成绩评定方法： 课程成绩由平时成绩30%和考试成绩70%组成； 平时成绩(平时作业、实验报告、学习态度、表现、能力) 。 四、其他：
课程教学内容及安排
1周 1章 绪论（1）
–
(24+16=36)
1周 2章材料科学与工程研究中的数据处理（3）
建模基础
2周 3章材料科学与工程研究中的数学模型与数值计算（4）
–
建模方法步骤
3周 4章 材料科学与工程中典型物理场的数值模拟（4）
–
典型模型的建立
4周 5章 相图计算（4） 5周 6章人工神经网络与专家系统及在材料科学与工程中的应用（4）
汽车零件成形模铸填充过程模拟得到的结果
凝固过程组织模拟(模拟区域为2.4mm × 2.4 mm )
B. Böttger et al.: "Controlling Microstructure in Magnesium alloy: A combined thermodynamic, experimental and simulation approach" Advanced Engineering Materials 8 4(2006)241
１．３主要使用的商业软件
一、通用软件 1、办公类 office 2、数据处理类 origin 3、计算模拟类 Matlab 有限元分析软件（ANSYS、MARC，国产有限元软件 FEPG等135个有限元分析软件） Flow3D 4、辅助设计测试 autocad
１．３主要使用的商业软件
二、专业类
1.
材料数据库 专家系统
计算机集成制造系统技术的应用
CAD 计算机辅助设计 CAE 计算机辅助工程分析 CAM 计算机辅助制造 CAPP计算机辅助工艺设计
材料科学基本要 素及之间的关系
实例1 模拟计算
(
a) 填充过程中的压力分布 (b) 填充过程中熔体前沿温度分布
(c) 填充过程中熔体温度分布 (d) 制件表面的分子趋向
Material studio
(1)Materials Visualizer:提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模 型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、 表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以及支 持MS的其他产品。是MS产品系列的核心模块。 (2)Discover: MS的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方 法，以仔细推导的力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分 子体系的结构和动力学轨迹等。 (3)COMPASS: 支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力 场。是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等 参数化并经验证的从头算力场。可以在很大的温度、压力范围内精确 地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热 物理性质。 (4)Amorphous Cell:允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型， 并对主要性质进行预测。通过观察系统结构和性质之间的关系，可以 对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物 和新配方。可以研究的性质有：内聚能密度（CED）、状态方程行为、 链堆砌以及局部链运动等。
第一原理计算类
Material studio Materials Studio是专门为材料科学领域研究者开发 的一款可运行在PC上的模拟软件。它可以帮助解决当今 化学、材料工业中的一系列重要问题。支持Windows 98 、2000、NT、Unix以及Linux等多种操作平台的 Materials Studio使化学及材料科学的研究者们能更方便 地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分 子材料的性质及相关过程进行深入的研究。多种先进算 法的综合应用使Materials Studio成为一个强有力的模拟 工具。无论构型优化、性质预测和X射线衍射分析，以及 复杂的动力学模拟和量子力学计算，都可以通过一些简 单易学的操作来得到切实可靠的数据。
相互支持 共同进步
能源材料
材料的发展
１．２ 计算机在材料科学中的应用
计算机模拟技术的应用
应力应变 微观组织变化与描述（分子、原子、电子） 温度场 浓度场（组织场）应力场 流场 磁场等 相图计算
计算机控制技术的应用
工艺参数的自动控制 加工过程的自动控制
数据库技术的应用
组织模拟类
功能： 1、热力学--相图、热力学性能、凝固模拟、液相面、热液作用、变 质、岩石形成、沉淀、风化过程的演变、腐蚀、循环、重熔、烧 结、煅烧、燃烧中的物质形成 、CVD 图、薄膜的形成、CVM 计 算，化学有--无序等。 2、动力（DICTRA）--扩散模拟，如合金均匀化、渗碳、脱碳、渗 氮、奥氏体/铁素体相变、珠光体长大、微观偏析、硬质合金的烧 结等。 窗体底端
第一原理计算类
VASP
ASP是Vienna Ab-initio Simulation Package的缩写,它是使用赝势和 平面波基组，进行从头量子力学分子动力学计算的软件包，它基于 CASTEP 1989版开发。VAMP/VASP中的方法基于有限温度下的局域 密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD(Molecular Dynamics) 步骤用有效矩阵对角方案和有效Pulay混合求解瞬时电子基态。这些 技术可以避免原始的Car-Parrinello方法存在的一切问题，而后者是基 于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电子的相互作用超缓 Vanderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。两种技术都可 以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波 数量。力与张量可以用VAMP/VASP很容易地计算，用于把原子衰减 到其瞬时基态中。
１章 绪论
1.1 计算机与材料科学的关系 1.2 主要应用领域 1.3 主要使用的商业软件
1.1 计算机与材料科学
计 算 机 技 术 的 发 展
计算机硬件 技术的发展 关系 计算机软件 技术的发展 计算机网络 技术的发展
传统材料的发展
低成本 高性能 超导材料 纳米材料
生物医用材料
新材料不断出现
热力学、相图计算类软件
pandat
概述：
（原产地:美国，全是中国人开发）热力学计算软件的后起者,主要是 抓住TC界面不友好和需要计算初值的弱点发展起来的，目前主要 是在金属材料也就是合金行业中发展，产品包括Pandat、 PanEngine和数据库 窗体底端
功能：
相图计算、热力学性能、凝固模拟、液相投影面、相图优化以及动 力学二次开发等。
计算模拟类
热力学、相图计算类软件 第一原理计算类 组织模拟类 材料加工类 辅助设计测试分析类
2.
辅助设计 辅助测试
Leabharlann Baidu
相分析软件
热力学、相图计算类软件 Thermo--calc
概述:
热力学计算软件的开拓者，软件开发历史比较悠久，因此软件功能比较完善 和强大，所涉及的领域比较广泛，包括冶金、金属合金、陶瓷、熔岩、硬质合金 、粉末冶金、无几物等等，产品主要包括TCC、TCW、DICTRA、二次开发工具 和数据库。
热力学、相图计算类软件 FactSage
概述：
（原产地：加拿大），主要是通过熔盐、氧化物、无机 物热力学计算发展起来的，非常适合冶金、化工等行 业应用，当然FactSage也能计算金属相图，其应用可 贯穿于整个冶金及材料加工过程。
功能：
多元相平衡计算、优势区图、电位-pH图的计算与绘制， 热力学优化、作图处理等 窗体底端
−
预测模型建立
6周 7章 计算机自动控制技术在材料科学与工程中的应用（4）
−
控制模型的建立
上机实验内容及安排
3周 3周 4周 4周 5周 5周 6周 6周
实验1 数据处理应用实践1——Excel的应用 实验2 数据处理应用实践2——Origin的应用 实验3 常用数学分析方法应用实践 实验4 温度场的模拟计算实践 实验5 浓度场的模拟计算实践 实验6 相图计算软件的应用实践 实验7 物相分析软件应用实践 实验8 人工神经网络应用实践
实例3 相图计算 Mg-Ca-Al
Design of Magnesium Alloy with Thermodynamic Database Report ,prof. liulibin,csu
实例4
材料数据库及专家系统
重庆大学的工作
１．３ 主要使用的商业软件
通用类 专业类
3. 组织模拟类
Material studio
(5)Reflex:模拟晶体材料的X光、中子以及电子等多种粉末衍射图谱。可以帮 助确定晶体的结构，解析衍射数据并用于验证计算和实验结果。模拟的图 谱可以直接与实验数据比较，并能根据结构的改变进行即时的更新。包括 粉末衍射指标化及结构精修等工具。 (6)Reflex Plus:是对Reflex的完善和补充，在Reflex标准功能基础上加入了已 被广泛验证的Powder Solve技术。Reflex Plus提供了一套可以从高质量 的粉末衍射数据确定晶体结构的完整工具. (7)Equilibria:可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度 作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的virial 系数。适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、 石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控 制）、橡胶（作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。 (8)DMol3:独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、 溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材 料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子 反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合 热等性质。 (9)CASTEP:先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种 材料，可研究：晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表 面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光 学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶粒间界、 位错）、体系的三维电荷密度及波函数等 窗体底端
热力学、相图计算类软件 JMatPro
概述：
（原产地：英国，和ThermoTech是一家），定位非常新颖，主要是 做金属材料性能计算（其他材料不可用），如热力学性能、热物 理性能、机械性能、热处理相关性能（CCT/TTT、淬火）。数据 库和软件绑定在一起，没有软件和数据库之分。
功能：
相平衡计算、热物理性能计算、凝固性能计算、机械性能（强度、 硬度、蠕变）、热处理相变模拟（CCT/TTT、淬火等）等，目前 可为很多模拟软件提供基础材料数据（如ANSYS、Procast、 Magma等）。