计算机在材料科学与工程中的应用

计算机在材料科学与工程中的应用第1页，共72页，2023年，2月20日，星期四2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）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）

第2页，共72页，2023年，2月20日，星期四3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目录第3页，共72页，2023年，2月20日，星期四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。4第4页，共72页，2023年，2月20日，星期四1.1.1材料的作用与分类5材料是用以制造有用物件的物质第1章计算机在材料科学与工程中应用概述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第5页，共72页，2023年，2月20日，星期四6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第6页，共72页，2023年，2月20日，星期四研究材料组成、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。（Nextpage）7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）1.1.2MSE研究内容第7页，共72页，2023年，2月20日，星期四8Source:MaterialsScienceandEngineeringforthe1990s,NRC,1989Composition

&Processing成分与工艺Structure组织结构Properties材料性能.Performance使用性能四个要素第8页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。9第9页，共72页，2023年，2月20日，星期四10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’sLaw(1965)：计算机的CPU速度每24个月增加一倍。

18(1975)图中电脑处理器中晶体管数目的增长曲线符合摩尔定律第10页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。11第11页，共72页，2023年，2月20日，星期四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。第12页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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；计算机技术是保障、条件。13第13页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。14第14页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。第15页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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16页，共72页，2023年，2月20日，星期四在材料的制备中,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。第17页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。返回第18页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。第19页，共72页，2023年，2月20日，星期四20典型模拟方法及所对应的模拟尺度FDM=finitedifferencemethod,FEM=finiteelementmethod

第20页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。第21页，共72页，2023年，2月20日，星期四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。第22页，共72页，2023年，2月20日，星期四23

网格划分有限元模拟人脚走路受力情况有限元方法第23页，共72页，2023年，2月20日，星期四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。第24页，共72页，2023年，2月20日，星期四25第25页，共72页，2023年，2月20日，星期四26第26页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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”。第27页，共72页，2023年，2月20日，星期四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。第28页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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拟途径。第29页，共72页，2023年，2月20日，星期四30第30页，共72页，2023年，2月20日，星期四31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”！

第31页，共72页，2023年，2月20日，星期四32三维等轴树枝晶形貌的模拟

第32页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。第33页，共72页，2023年，2月20日，星期四34第34页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。第35页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。第36页，共72页，2023年，2月20日，星期四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。第37页，共72页，2023年，2月20日，星期四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。第38页，共72页，2023年，2月20日，星期四39第39页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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和一般的统计分析,第40页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。第41页，共72页，2023年，2月20日，星期四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。421.3.7计算机技术用于材料性能表征与检测第42页，共72页，2023年，2月20日，星期四43电子显微镜第43页，共72页，2023年，2月20日，星期四44金相显微镜第44页，共72页，2023年，2月20日，星期四45X射线衍射仪第45页，共72页，2023年，2月20日，星期四

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。第46页，共72页，2023年，2月20日，星期四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”！47第47页，共72页，2023年，2月20日，星期四48

计算机模拟X射线实时观察实际生产第48页，共72页，2023年，2月20日，星期四49

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viewcast，从动画中可以清楚的看到整个铸件充型过程。第49页，共72页，2023年，2月20日，星期四50此动画显示了钢锭的冷却过程中温度的变化过程，其中不同的颜色代表不同的温度，这样温度这一不可见的过程也将变得“可视”。

第50页，共72页，2023年，2月20日，星期四51锻造加工的悠久历史

锻造=打铁？？No！！如何加工大型巨轮中的大型曲轴曲拐呢？第51页，共72页，2023年，2月20日，星期四52曲拐加工工艺的计算机模拟

第52页，共72页，2023年，2月20日，星期四53

工艺的模拟和工厂试制的比较

第53页，共72页，2023年，2月20日，星期四54

有

限

元

模

拟

实

际

生

产

对一个大型压力容器件的加工模拟过程，用计算模拟的结果来指导生产，已经取得了很好的效果！

第54页，共72页，2023年，2月20日，星期四55钻孔横楔轧晶粒演化

齿轮架感应加热连杆

第55页，共72页，2023年，2月20日，星期四由于工程材料的种类繁多，而每一种材料都有其特定的成分、结构及性能，因此所有工程材料的成分、结构及性能就构成了一个庞大的信息系统，为了便于材料工作者查询和研究，有必要建立各种类型的材料数据库。目前已建立了许多不同类型的材料数据库，如中科院金属所的材料数据库/SDB561.4计算机技术用于材料数据库和知识库第56页，共72页，2023年，2月20日，星期四美国材料性能数据库美国国家标准研究所(NIST)材料数据库/srd/materials.htm日本国立材料科学研究所材料数据库http://mits.nims.go.jp/db_top_eng.htmMatweb材料性能数据库57第57页，共72页，2023年，2月20日，星期四

知识库主要是材料成分、组织、工艺和性能间的关系以及材料科学与工程的有关理论成果，它是实现人工智能的基本条件。实际上知识库就是材料计算设计中的一系列数理模型，用于定量计算或半定量描述的关系式的总和。数据库中存储的是具体的数据值，它只能进行查询，不能进行推理。而知识库中存储的是规则、规律，通过数理模型的推理、运算，以一定的可信度给出所需的性能等数据；也可以利用知识库进行成分和工艺控制参量的计算设计。利用数据库和知识库可以实现材料性能的预测功能和设计功能，达到设计的双向性。58第58页，共72页，2023年，2月20日，星期四

材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。传统的专家系统主要有下列几个模块：优化模块、集成化模块和知识模块。现在逐步在发展智能专家网络系统，这是以模式识别和人工神经网络为基础的专家系统。目前基于人工神经网络的处理技术在材料科学中可到了越来越多的应用，在处理规律不明显、组分变量多、非线性方面的问题具有特殊的优越性，并且也可以对建立的数学模型和计算结果进行验证。59第59页，共72页，2023年，2月20日，星期四ABINITVASPWIN2KGaussianMaterialStudioPWSCF60第60页，共72页，2023年，2月20日，星期四Thermo-CalcPandatFactSage61第61页，共72页，2023年，2月20日，星期四有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。62第62页，共72页，2023年，2月20日，星期四有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个比较知名比较大的公司，其中ADINA、ABAQUS在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。63第63页，共72页，2023年，2月20日，星期四ANSYS是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。ABAQUS专注结构分析目前没有流体模块。MSC是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。ADINA是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。结构分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS流体分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS性价比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSC64第64页，共72页，2023年，2月20日，星期四

材料科学中的实验为材料科学研究提供了大量的含有材料基本行为特征信息的实验数据，如何快速精确地处理这些复杂的数据，发现其中的规律，从而得到真实客观的材料行为信息，对材料科学研究而言非常重要。现代计算机的大容量存储特征和快速运算为存储和处理大量的材料实验数据提供很好的平台。计算机对材料数据的处理工作主要包括存储、计算、绘图、拟合分析及快速查询等。计算机图像分析已成为辅助研究材料结构和性能之间定量关系的一种重要方法。其应用涉及材料科学研究的各个方面，主要包括晶粒度的测量，夹杂物的评级、相分析以及显微硬度、孔洞率、球化率、涂层的测量等。65第65页，共72页，2023年，2月20日，星期四ExcelOriginPhotoshopCorelDraw