计算材料学

《计算材料学》教学大纲

课程英文名称：Caclulation of Material Science

课程编号：0322212002

课程计划学时：32

学分：2

课程简介：

本课程是我院材料物理专业的专业基础课程。是近20年里发展起来的一门边缘学科. 它运用固体物理理论, 理论化学和计算机算法来研究材料里的一些实验研究有困难的课题. 它是材料研究里的"计算机实验". 本课程主要介绍计算材料学里的原子和纳米尺度模拟的一些常用方法,还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用.通过本课程的学习，使学生对材料科学与工程中的计算方法，有一个全面的了解。

一、课程教学内容及教学基本要求

第一章绪论

本章重点：计算材料学的发展概况、计算材料学的范围与层次

难点：无

本章要求了解计算材料学的发展概况、计算材料学的范围与层次。主要内容：

1．计算材料学的发展概况

2．计算材料学的范围与层次

第二章分子动力学

本章重点：原子间相互作用势模型、原子系统的运动方程、运动方程的积分、边界条件、分子动力学方法在材料科学中的应用。

难点：运动方程的积分、边界条件

本章要求掌握经验性对势、多体势、壳模型、键级势（考核概率30%）。原子系统的运动方程（考核概率25%）。运动方程的积分、边界条件（考核概率40%）。了解分子动力学方法在材料科学中的应用。主要内容：

1．原子间相互作用势模型

2．原子系统的运动方程

3．运动方程的积分

4．边界条件

5．分子动力学方法在材料科学中的应用

第三章蒙特卡洛积分与模拟

本章重点：随机数；蒙特卡洛积分；Metropolis蒙特卡洛方法；蒙特卡洛方法的误差；蒙特卡洛方法在材料科学中的应用

难点：Metropolis蒙特卡洛方法；蒙特卡洛方法的误差

本章要求掌握随机数（考核概率30%）、简单抽样非权重蒙特卡洛积分、重要抽样权重蒙特卡洛积分（考核概率100%）、正则系综微正则系综巨正则系综的Metropolis方法（考核概率60%）、自旋蒙特卡洛模型（考核概率10%）、蒙特卡洛方法的误差（考核概率65%）、了解蒙特卡洛方法在材料科学中的应用。主要内容：

1．随机数

2．简单抽样非权重蒙特卡洛积分

3．重要抽样权重蒙特卡洛积分

4．Metropolis蒙特卡洛方法

5．自旋蒙特卡洛模型

6．蒙特卡洛方法的误差

7．蒙特卡洛方法在材料科学中的应用

第四章微观－介观尺度的模拟方法简介

本章重点：离散位错静力学和动力学、Ginzburg-Landau相场动力学模型、元胞自动机（CA）方法、介观尺度动力学蒙特卡洛和波茨模型

难点：Ginzburg-Landau相场动力学模型、元胞自动机（CA）方法

本章要求掌握位错静力学和动力学（考核概率40%）、Ginzburg-Landau相场动力学模型（考核概率30%）、元胞自动机（CA）方法（考核概率10%）、介观尺度动力学蒙特卡洛和波茨模型（考核概率40%）。了解几何及组分模型、拓扑网格和顶点模型。主要内容：1．离散位错静力学和动力学

2．Ginzburg-Landau相场动力学模型

3．元胞自动机（CA）方法

4．介观尺度动力学蒙特卡洛和波茨模型

5．几何及组分模型

6．拓扑网格和顶点模型

第五章介观-宏观尺度的模拟方法简介

本章重点：介观-宏观尺度上的有限元方法、在宏观尺度上的有限差分方法、多晶体弹性及塑性模型、模型化与模拟的集成化

难点：介观-宏观尺度上的有限元方法、在宏观尺度上的有限差分方法

本章要求掌握介观-宏观尺度上的有限元方法（考核概率30%）、在宏观尺度上的有限差分方法（考核概率30%）、多晶体弹性及塑性模型（考核概率15%），了解模型化与模拟的集成化。主要内容：

1．介观-宏观尺度上的有限元方法

2．在宏观尺度上的有限差分方法

3．多晶体弹性及塑性模型

4．模型化与模拟的集成化

二、教学内容学时分配一览表

三、大纲附录

1、建议教材：

马文淦编著，《计算物理学》，中国科技大学出版社，2001年。

2、参考书目：

D. 罗伯编著《计算材料学》，化学工业出版社2002年。

熊家炯主编《材料设计》，天津大学出版社，2000年。

3、有关说明：

（1）与其他课程的关系：

本课程的先修课是高等数学, 大学物理, 量子与统计，固体物理。

（2）本课程的课程建设

本课程是材料物理专业的一门专业基础课，主要介绍计算材料学里的原子和纳米尺度模拟的一些常用方法, 如原子相互作用势、分子动力学、蒙特卡洛方法, 也简单介绍了微观－介观尺度的模拟方法、介观－宏观尺度的模拟方法. 本课程还采用材料研究中的实际例子来说明这些方法的运用.在于使学生具备理论联系实际的能力。

（3）考核方式：

闭卷考核（试卷成绩占80%，平时成绩20%）。平时成绩按照课堂出勤情况和作业情况综合给出。