材料科学中的信息技术应用基础全套教学课件

计算机在材料科学中的应用

全套可编辑PPT课件1.数据处理的基本理论2.正交试验设计3.数据库系统、专家系统、人工神经网络4.典型物理场理论E-studyExcelOriginJadeVESTAANSYSMatlab操作本节内容：一、绪论二、信息技术在材料科学研究中的应用第1讲一、绪论绪论用于材料设计用于建立材料数据库材料科学中的信息技术用于材料设计在材料科学研究中的应用在材科科学数据与图形处理中的应用在材料设计与结构分析中的应用在材料科学数学模型与模拟计算中的应用在材料加工与检测中的应用在材料科学研究中的应用文献检索文献管理E-studyEndnote在材料科学数据与图形处理中的应用数据存储、计算、拟合分析、绘图ExcelOrigin在材料科学数据与图形处理中的应用图像处理（提取图像信息，获取如孔隙率、晶体大小、分布、聚集方式等信息。）在材料设计与结构分析中的应用对成分-组织-性能关系的调整作多次反复实验传统方法“炒菜式”的方法盲目、费功、费时、经济损耗大计算机方法按所需材料性能来设计、制备新材料和新合金，并使所设计的合金成分、组织或工艺达到最佳配合。在材料设计与结构分析中的应用在材料设计与结构分析中的应用基于材料科学中的数据库在材料设计与结构分析中的应用专家系统通过模拟人类专家来解决某领域专业问题的智能计算机软件系统人工神经网络

人工神经网络简称神经网络，是以计算机网络系统模拟生物神经网络的智能计算系统，是对人脑或自然神经网络若干基本特性的抽象和模拟。在材料设计与结构分析中的应用在材料设计与结构分析中的应用在材料科学数学模型与模拟计算中的应用

采用模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程，了解材料的内部微观性质及其宏观力学行为，并且在没有实际制备出这些新材料前就能预测它们的性能，为设计出优异性能的新型结构材料提供强有力的理论指导。建立在工艺模拟、优化基础上的热加工工艺设计技术，可以将“隐患”消灭在计算机拟实加工的反复比较中，从而确保关键大件一次制造成功。模拟层次空间尺度模拟对象电子层次0.1-1nm电子结构原子分子层次1-10nm结构、力学性能、热力学和动力学性能微观结构层次~1μm晶粒生长、烧结、位错、粗化和织构宏观层次>1μm铸造、焊接和锻造和化学气相沉积等不同工艺条件下等离子喷涂YSZ涂层的温度场（b）（a）（c）（d）在材料科学数学模型与模拟计算中的应用ANSYS不同坡口形状下的铝合金焊接残余应力在材料科学数学模型与模拟计算中的应用基于Magma软件的转向摇臂铸造工艺计算机模拟在材料科学数学模型与模拟计算中的应用#1浇注系统模型在材料科学数学模型与模拟计算中的应用#2浇注系统模型在材料科学数学模型与模拟计算中的应用#3浇注系统模型在材料科学数学模型与模拟计算中的应用#1浇注系统有宏观缩孔出现，#2和#3浇注系统纠正了宏观收缩，#3浇注系统进一步提高了铸件端部质量，并且不需要横浇道。#2浇注系统工艺出品率大约71%，#3浇注系统工艺出品率大约77%,是比较经济的设计方法。多层吸波材料性能计算在材料科学数学模型与模拟计算中的应用在材料科学数学模型与模拟计算中的应用在材料科学数学模型与模拟计算中的应用形变图凝固图Re=430形变图凝固图Re=549Re=430Re=549等离子喷涂中YSZ熔滴在不同雷诺数下的形变图和凝固图在材料科学数学模型与模拟计算中的应用在材料加工与检测中的应用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渗碳、渗氮全过程进行控制精密控制注塑机的注射速度炉温控制，其后迅速扩展到气氛控制，真空热处理控制，气体渗碳、渗氮控制，离子化学热处理控制，激光热处理的控制，渗碳、淬火、清洗和回火的整个生产过程的控制等材料组成和微观结构的表征成分检测：分析电子显微方法：EDS、EPM、AES、EELS、STEM等光谱分析：吸收光谱、发射光谱、拉曼光谱组织结构检测：金相图像分析显微组织计算机仿真材料缺陷计算机分析力学性能检测物理性能检测磁性测量介电参数测量光学特性测量二、计算机在材料科学研究中的应用文献检索1.文献的类型依据文献加工程度：一次文献二次文献三次文献纸质文献类型标识类型图书期刊论文集学位论文标准报告专利报纸标识MJCDSRPN文献检索(1)图书、会议论文集、学位论文、报告等参考文献[序号]作者.题名[类型标识].出版地:出版者,出版年.起止页码(任选).举例：[1]高大钊.岩土工程的回顾与前瞻[M].北京:人民交通出版社,2010.2~18.

[2]张筑生.微分半动力系统的不变集[D].北京:北京大学数学系数学研究所,2004.[3]冯西桥.核反应堆压力管道与压力容器的LBB分析[R].北京:清华大学核能技术设计研究院,2001.文献检索(2)期刊参考文献[序号]作者.篇名[J].刊名,年,卷(期):起止页码.举例：[4]袁建新.环境岩土工程问题综述[J].岩土力学,2009,30(2)：88~93.[5]S.Shi,L.Zhang,J.Li.ComplexpermittivityandelectromagneticinterferenceshieldingpropertiesofTi3SiC2/polyanilinecomposites[J].JournalofMaterialScience,2009,44:945-948.[6]D.Chen,Y.Z.Liu,F.Luo,J.J.Tang,Y.Y.Zhou.NASICON-typeLi1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3ceramicswithfrequencydispersioneffectandmicrowaveabsorptionpropertiesin8.2-12.4GHz[J].JournalofMaterialsScience:MaterialsinElectronics,2020,/article/10.1007/s10854-020-03931-5.文献检索(4)专利参考文献[序号]

专利所有者.专利题名[P].专利国别:专利号,出版日期.例：[9]姜锡洲.一种温热外敷药制备方案[P].中国:881056073,2008-07-26.(5)报纸参考文献

[序号]作者.文章名[N].报纸名,出版日期(版次).

例：[10]谢希德.创造学习的新思路[N].人民日报,2010-12-25(10).(3)国际、国家标准参考文献[序号]标准编号,标准名称[S].举例：[7]GB/T50279-98,岩土工程基本术语标准[S].[8]TB/T10059-98,铁路工程制图标准[S]．文献检索2.常用的文献检索网站中国知网万方维普文献检索WOSElsevierSCI-HubSpringerLink文献管理:在本地建立个人数据库，随时检索收集到的文献记录通过检索结果，准确调阅所需PDF全文、图片和表格将数据库与他人共享，对文献进行分组，查重对比和自动获取全文论文撰写：

随时调阅、检索相关文献，按照期刊要求的格式插入文后的参考文献迅速找到所需图片和表格，将其插入论文相应的位置在转投其他期刊时，可迅速完成论文及参考文献格式的转换文献管理为什么要文献管理软件?文献管理均为文献管理软件针对英文数据库更加友好主要用于中文数据库能够直接从SCI，springer,Elsevier等英文数据库导入论文

能够直接从中国知网导入论文

文献管理例：以ZnO吸波材料的制备方法为研究课题，采用E-study软件进行相关文献整理，撰写一段总结并附上参考文献。新建专题文件夹文献管理添加参考文献文献管理补充题录信息文献管理生成笔记文献管理导出笔记文献管理插入参考文献文献管理获取文献总结总结绪论——材料科学中的信息技术

在材料科学研究中的应用

在材料科学数据与图形处理中的应用

在材料设计与结构分析中的应用

在材料科学数学模型与模拟计算中的应用

在材料加工与检测中的应用2.信息技术在材料科学研究中的应用

（1）文献检索

文献类型：按照加工程度分类，按照类别分类

常用文献检索数据库：中文，英文

（2）文献管理E-study，Endnote计算机在材料科学中的应用第2讲信息技术在材料科学数据与图形处理中的应用（1）数据处理的基本理论EXCEL的计算功能（上机）数据处理的基本理论基本概念一元线性拟合可以转换成一元线性拟合的其它一元线性拟合多元线性拟合腐蚀增重曲线

在科学研究和实际工作中，常常会遇到这样的问题：给定两个变量x,y的m组实验数据，如何从中找出这两个变量间的函数关系的近似解析表达式（也称为经验公式），使得能对x与y之间的除了实验数据外的对应情况作出某种判断。曲线拟合概念

1）概念：根据一组数据，即若干点，要求确定一个函数，即曲线，使这些点与曲线总体来说尽量接近。

2）目的：根据实验获得的数据去建立因变量与自变量之间有效的经验函数关系，为进一步的深入研究提供线索。最小二乘法原理图yxδi（xi，yi）y=f(x)最小二乘法原理寻求规律：使得：=min一元线性拟合

其中：

=1，存在线性关系，无实验误差；

=0，毫无线性关系；一元线性拟合精度：相关系数

剩余平方和：回归平方和：离差平方和：可转化为一元线性回归的其它一元线性拟合幂函数指数函数1指数函数2

对数函数

双曲线函数S形曲线函数转换为一元线性关系例1

为了研究氮含量对铁合金溶液初生奥氏体析出温度的影响，测定了不同氮含量时铁合金溶液初生奥氏体析出温度，得到表中的5组数据。

氮含量与灰铸铁初生奥氏体析出温度测试数据

如果把氮含量作为横坐标，把初生奥氏体析出温度作为纵坐标，将这些数据标在平面直角坐标上，如下图，这个图称为散点图。氮含量与灰铸铁初生奥氏体析出温度例2.在研究单分子化学反应速度时，得到下列数据：

τ12345678τi3691215182124yi57.641.931.022.716.612.28.96.5其中τ表示从实验开始算起的时间，y表示时刻τ反应物的量，试定出经验公式

由化学反应速度的理论知道，y=f(τ)应该是指数关系：其中，k、m是待定常数。令Y=lny，A=lnk，B=m，X=τ两边取对数：多元线性回归直线回归研究的是一个因变量与一个自变量之间的回归问题，但在许多实际问题中，影响因变量的自变量往往不止一个，而是多个，因此需要进行一个因变量与多个自变量间的回归分析，即多元回归分析。多元线性回归方程如果以矩阵的形式表示这个多元线性回归，则有，

多元线性回归方程矩阵形式SPSS(StatisticalPackagefortheSocialScience)软件其它求解软件：Matlab软件，SAS软件Excel软件在材料科学中的应用—计算功能运算符：*乘法运算/除法运算^乘幂运算>=大于等于<=小于等于<>不等号SUM求和AVERAGE求算术平均值SQRT开平方IF假如TRUE真值FALSE假值例1.多级连续槽式反应器的设计。多级连续槽式反应器的各槽具有相同的容积，V=1.5L，在等温条件下进行如下的液相反应。A->R（二级反应）-rA=kCA2（二级反应的速率方程）式中：-rA——多级连续槽式反应速率，kmol/(L·min)；k——反应速率常数，L(kmol·min)；本例中k=0.5

CA——瞬时浓度，kmol/L。计算转化率xf=0.8时所需的反应槽数，并计算各槽的出口浓度及转化率。已知反应物A在第一槽的入口浓度Cn=1.2kmol/L,进料速度v=0.3L/min。第i槽入口浓度和出口浓度分别用Ci-1和Ci来表示，进料速度为v，各槽容积相等用V表示。τ表示V/v反应液在槽中的平均滞留时间。第i槽组分A的物料平衡式为：例2.沉降法测定液体黏度的计算，为求取某油的黏度μf（cp，1cp=10-3Pa·s），使直径D=0.5mm的铜球（密度ρs=8.9g/cm3）在该油中沉降，测得沉降速度μt为1.5cm/s。油的密度ρf为0.85g/cm3，求该油的黏度μf。以沉降粒子直径为基准的雷诺数Re=Dμtρf/μf的不同范围内，沉降速度μt有如下对应关系。小结数据处理的基本理论—最小二乘理论

一元线性拟合

可转化成一元线性拟合的其它拟合

多元线性拟合2.Excel软件在材料科学中的应用计算功能计算机在材料科学中的应用第3讲本节内容：（信息技术在材料科学数据与图形处理中的应用）

习题课Excel软件在材料科学中的应用

计算、参数估计和线性回归功能

随堂练习计算功能上讲回顾沉降法测定液体黏度的计算，为求取某油的黏度μf（cp，1cp=10-3Pa·s），使直径D=0.5mm的铜球（密度ρs=8.9g/cm3）在该油中沉降，测得沉降速度μt为1.5cm/s。油的密度ρf为0.85g/cm3，求该油的黏度μf。以沉降粒子直径为基准的雷诺数Re=Dμtρf/μf的不同范围内，沉降速度μt有如下对应关系。p0.30.82.23.85.710.019.328.044.0x0.020.050.100.150.200.300.500.701.00

参数估计参数估计（1）输入变量和选中回归功能。将变量输入至Excel表格中，并选中分析数据库中的回归功能。

参数估计

（2）修改回归功能的对话框。在回归功能的对话框中更改Y值和X值的输入区域以及常数，

点击“确定”按钮。参数估计

线性规划线性规划线性规划

线性规划线性规划

线性规划

练习1根据国标GB1449-2005（纤维增强塑料弯曲性能试验方法），通过三点弯曲，设定一定的加载速率持续加载使试样破坏或挠度达到1.5的试样厚度，测试此时的破坏载荷。试样厚度mm试样宽度mm跨距mm破坏载荷N弯曲强度Mpa3.715.1605503.615.2605463.515.2615843.815.061579随堂练习：使用条件格式将“粒径”列中数据小于101的单元格中字体颜色设置为红色、加粗显示。计算采购总额一列，并将所有试剂的总额填到G18格中。使用数据库函数及已设置的条件区域，计算以下情况的结果。

（1）商标为国药，容量为500g的ZrO2粉末的平均单价，结果保留整数。

（2）商标为阿拉丁，粒径为为10nm的Al2O3粉末的采购数量。练习2练习3一种合金在某种添加剂的不同浓度下进行实验，得到如下数据。浓度x/(mol/L)10.015.020.025.030.0抗压强度y/Mpa27.026.826.526.326.1已知函数y与x的关系适合模型：y=a+bx+cx2，试用Excel确定系数a、b和c。练习4运输成本最小化小结Excel软件在材料科学中的应用计算

参数估计

线性规划计算机在材料科学中的应用第4讲本节内容：（信息技术在材料科学数据与图形处理中的应用）Origin软件在材料科学中的应用（上机）Origin的数据分析和绘图功能

数据分析功能试样05102030507090110130150175200A02.213.422.330.841.848.859.666.671.9778.8485.6692.20B01.72.182.192.236.092.342.422.532.642.752.842.96例2-7.下表是锅炉用钢20G（试样A）和喷涂有高镍铬涂层的20G（试样B）在相同高温氧化条件下的腐蚀增重数据。第1行是氧化试验的时间，单位为h，第2、3行是氧化增重量，单位为mg/cm2。请拟合腐蚀增重量与氧化时间之间的函数关系y=axb。

试样的腐蚀增重数据编号x1x2x3y（S·cm-1）12.21.83.45.621.92.02.46.131.52.23.05.243.62.52.47.952.01.62.88.462.82.53.57.674.02.53.58.184.54.05.07.4例2-8.材料中含三种不同的正离子，每种离子都有一定的迁移率，从而影响材料的离子电导率，一般符合加和规则。现制备了不同配方的8种材料，测定的离子电导率如下表所示，其中，x1、x2、x3为三种离子的质量分数，y为电导率。求y对x1、x2、x3的回归方程。材料中的离子组成及电导率T/℃Loss/gT/℃Loss/gT/℃Loss/g360-6.426405.059419607.61729380-6.216805.1545910008.98389400-5.867205.7105510409.51138440-5.371157606.0861910809.72576480-4.554348006.6523411209.7826520-2.408558406.88052116010.48278560-0.706718806.99339

6003.790289207.41128

例2-9.以陶瓷（Al2O3）及金属铝的复合粉末为原料，控制条件使铝氧化成氧化铝，研究反应过程中氧化的过程和机理，整个步骤如下：（1）采用热分析仪获得温度-失重数据如表2-21所示；（2）明确反应动力学机理数学模型；（3）进行数据分析。主要的数学模型如下，请通过测试数据拟合其反应动力学模型。

热失重数据

whaP2.544.982.349.62.564.962.469.92.55.022.568.92.485.042.519.52.5252.59.3

绘图功能sample12345678σ（×10-4S·cm-1）4.44.25.67.88.83.12.21.8Err（×10-4S·cm-1）0.150.050.080.110.060.180.230.03例2-11．表1测试了一批不同离子掺杂导电陶瓷的电导率，请绘制散点图。表1导电陶瓷的电导率例2-12.采用Nb5+、Ti4+、Y3+和Zn2+四种离子分别对NASICON陶瓷进行Zr位掺杂，采用网络分析仪测试了四个试样的介电常数，请绘制介电常数实部的点线图。TSCcontentDensity(g·cm-3)Porosity(%)10%2.2125.820%2.4121.230%2.5219.440%2.7115.8例2-13.现采用等离子喷涂的方法制备了TSC/NASICON复合涂层，并测试了不同TSC含量下涂层的密度和气孔率如表2所示。请绘制TSC/NASICON复合涂层密度和气孔率随含量变化的双Y图。表2TSC/NASICON复合涂层的密度和气孔率例2-14.现采用高温固相法制备了Na3Zr1.6Ti0.4Si2PO12陶瓷和Na3Zr1.8Ti0.2Si2PO12陶瓷，并采用X射线衍射仪对其进行了物相检测，采用Jade软件对其结果进行了分析，发现PDF#84-1200卡片能够与其峰位较好地拟合。请绘制陶瓷的XRD谱图，插入标准卡，标出杂质峰。小结：Origin的两项功能：

数据分析绘图计算机在材料科学中的应用第5讲本节内容：（信息技术在材料科学数据与图形处理中的应用）Origin软件在材料科学中的应用（上机）Origin绘图功能例2-12.采用Nb5+、Ti4+、Y3+和Zn2+四种离子分别对NASICON陶瓷进行Zr位掺杂，采用网络分析仪测试了四个试样的介电常数，请绘制介电常数实部的点线图。TSCcontentDensity(g·cm-3)Porosity(%)10%2.2125.820%2.4121.230%2.5219.440%2.7115.8例2-13.现采用等离子喷涂的方法制备了TSC/NASICON复合涂层，并测试了不同TSC含量下涂层的密度和气孔率如表2-16所示。请绘制TSC/NASICON复合涂层密度和气孔率随含量变化的双Y图。表2-16TSC/NASICON复合涂层的密度和气孔率例2-14.现采用高温固相法制备了Na3Zr1.6Ti0.4Si2PO12陶瓷和Na3Zr1.8Ti0.2Si2PO12陶瓷，并采用X射线衍射仪对其进行了物相检测，采用Jade软件对其结果进行了分析，发现PDF#84-1200卡片能够与其峰位较好地拟合。请绘制陶瓷的XRD谱图，插入标准卡，标出杂质峰。例2-15

采用等离子喷涂的方法制备热障涂层时，采用spraywatch测温测速设备监测不同工艺条件下飞行粒子的温度和速度，并测试了在这些工艺条件下涂层的气孔率，如表2-17所示。请绘制在不同工艺条件下飞行粒子的温度和速度以及涂层气孔率的三维图。T/℃v/(m/s)气孔率/%2843.18180.189.22853.9183.4110.52689.39182.3614.52692.23182.6713.83213.31228.626.83279.93225.837.83263.78229.57.93264.172316.13413.69400.935.23418.87405.865.13420.1402.225.13523.83450.675.13245.39380.884.23242.03387.914.63250.7399.734.6表2-17不同工艺条件下飞行粒子的温度和速度例2-16.采用Excel软件模拟了不同厚度下材料的计算反射率，请绘制反射率随频率和厚度变化的三维地形图。ReζReζ2423.2112794.312653.3215034.334793.4117994.515023.6519894.627003.7822014.829883.9925234.8910774.0327894.9112304.22

例2-17.在等离子喷涂制备涂层中，飞行粒子经过熔化、飞行、撞击基板、扁平和堆垛一系列微观过程形成最终的涂层。大量学者研究了粒子扁平率与雷诺数之间的对应关系，并得到了相应的模型，其中应用较多的有ξ=1.04Re^0.2、ξ=0.83Re^0.21和ξ=1.2941Re^0.2三种模型。本次实验采用狭缝收集法获得了一系列飞行粒子扁平率和雷诺数之间的对应关系如表2-18所示。请将实验数据与文献模型绘制到一张图中，并进行对比。表2-18粒子扁平率与雷诺数间的测试数据掺杂量Nba(Å)Tia(Å)Ya(Å)Nbb(Å)Tib(Å)Yb(Å)Nbc(Å)Tic(Å)Yc(Å)Nbβ(°)Tiβ(°)Yβ(°)0.115.71115.6415.6119.1129.0859.0329.2349.2339.221123.82123.82123.530.215.74515.68815.5779.1529.0789.0289.2549.2489.201124.12123.85123.310.315.78815.72115.5449.1589.0999.0279.2899.2579.199124.23124.07123.180.415.75415.67815.7719.1549.1019.0149.2669.2229.203124.21124.02123.11例2-18.采用Jade软件计算了不同含量Nb5+、Ti4+和Y3+四种离子掺杂NASICON陶瓷的点阵常数，具体参数如表2-19所示。请将点阵常数和体积随掺杂量变化的曲线绘制出来，并在Origin软件中融合四图。表2-19不同含量Nb5+、Ti4+和Y3+四种离子掺杂NASICON陶瓷的点阵常数小结Origin的绘图功能点线图及属性的修改

双Y图及其应用场合三维散点图

三维地形图

涂层的合并图表的融合计算机在材料科学中的应用第6讲本节内容：（信息技术在材料科学数据与图形处理中的应用）Origin绘图功能（上机）例2-16.采用Excel软件模拟了不同厚度下材料的计算反射率，请绘制反射率随频率和厚度变化的三维地形图。ReζReζ2423.2112794.312653.3215034.334793.4117994.515023.6519894.627003.7822014.829883.9925234.8910774.0327894.9112304.22

例2-17.在等离子喷涂制备涂层中，飞行粒子经过熔化、飞行、撞击基板、扁平和堆垛一系列微观过程形成最终的涂层。大量学者研究了粒子扁平率与雷诺数之间的对应关系，并得到了相应的模型，其中应用较多的有ξ=1.04Re^0.2、ξ=0.83Re^0.21和ξ=1.2941Re^0.2三种模型。本次实验采用狭缝收集法获得了一系列飞行粒子扁平率和雷诺数之间的对应关系如表2-18所示。请将实验数据与文献模型绘制到一张图中，并进行对比。表2-18粒子扁平率与雷诺数间的测试数据掺杂量Nba(Å)Tia(Å)Ya(Å)Nbb(Å)Tib(Å)Yb(Å)Nbc(Å)Tic(Å)Yc(Å)Nbβ(°)Tiβ(°)Yβ(°)0.115.71115.6415.6119.1129.0859.0329.2349.2339.221123.82123.82123.530.215.74515.68815.5779.1529.0789.0289.2549.2489.201124.12123.85123.310.315.78815.72115.5449.1589.0999.0279.2899.2579.199124.23124.07123.180.415.75415.67815.7719.1549.1019.0149.2669.2229.203124.21124.02123.11例2-18.采用Jade软件计算了不同含量Nb5+、Ti4+和Y3+四种离子掺杂NASICON陶瓷的点阵常数，具体参数如表2-19所示。请将点阵常数和体积随掺杂量变化的曲线绘制出来，并在Origin软件中融合四图。表2-19不同含量Nb5+、Ti4+和Y3+四种离子掺杂NASICON陶瓷的点阵常数练习1

实验测试了不同温度下四个样品的电导率如下表所示。其中激活能和温度与电导率的公式如下所示。请绘制如下的图，并拟合四个样品的激活能。

3.852.993.94.4(k=0.001)练习2

根据所给数据绘制如下所示的介电常数图，注意数据断开。练习3

根据所给数据绘制如下所示的XRD图，并增加标准卡片。小结Origin的绘图功能三维地形图函数的绘制

涂层的合并图表的融合计算机在材料科学中的应用第7讲本节内容：（信息技术在材料科学数据与图形处理中的应用）习题课Origin的数据分析和绘图功能时间/h05102030507090110130150175200增重量/mg·cm202.213.422.330.841.848.859.666.672.078.885.792.21.在腐蚀实验中，获得的某种钢腐蚀增重数据如下，请按照氧化增重动力学曲线y=axb原理对测试数据进行拟合，获得拟合方程。2.某种水泥在凝固时放出的热量y（单位cal/g，1cal=4.18J）与水泥中下列4种化学成分所占的比例（%）有关，如下表所示，求放出的热量y与水泥4种化学成分之间的关系（多元回归分析）。No.x1x2x3x4y11152666078.52129155274.331156820104.34113184787.6575263395.961155922109.27371176102.78131224472.59254182293.1102147426115.911140233483.8121166912113.3131068812109.4x1:3CaO·Al2O3x2:3CaO·SiO2x3:4CaO·Al2O3·Fe2O3x4:2CaO·SiO23.实验测得的数据如下表所示：

4.请根据提供的4种样品的阻抗数据，以阻抗实部为X轴，虚部为Y轴，将四组数据绘制到一张图中。5.采用气雾化的方法制备金属粉末时，获得的粉末直径与冷却速率有关，请将实验测试获得数据和研究学者得到的函数关系模型绘制在一张图中。

实验数据如下：理论模型：T(×105K·s-1)=182.2D-1.336.采用950℃、1000℃、1050℃和1100℃分别进行LATP陶瓷烧结，请将粉末和陶瓷在不同温度下烧结的XRD图谱绘制到一张图中，并标出杂质，做出如图所示的数据图。7.根据所给数据绘制反射率随频率变化的曲线图，注意跳点和比对线的添加。小结Origin的数据分析功能拟合和计算Origin的绘图功能点线图XRD图涂层的合并函数的绘制计算机在材料科学中的应用第8讲本节内容：（信息技术在材料科学数据与图形处理中的应用）正交试验设计基本原理正交表简介正交试验的方法

碳纤维/环氧树脂复合材料的吸波性能调控该材料的吸波性能与碳纤维的质量百分数、碳纤维的粒径和碳纤维的长度有关。其中，质量百分比通常为3%、5%和7%，粒径通常为10nm、50nm和100nm，长度通常为0.5mm、1mm和3mm。如何设计实验才能获得最优参数?需要设计多少组参数？

C1C2C3A1B1A1B1C1A1B1C2A1B1C3B2A1B2C1A1B2C2A1B2C3B3A1B3C1A1B3C2A1B3C3A2B1A2B1C1A2B1C2A2B1C3B2A2B2C1A2B2C2A2B2C3B3A2B3C1A2B3C2A2B3C3A3B1A3B1C1A3B1C2A3B1C3B2A3B2C1A3B2C2A3B2C3B3A3B3C1A3B3C2A3B3C3三因素三水平全面试验方案27→9正交试验从少量试验结果中推出最优方案降本增效

利用正交表来安排与分析多因素试验的一种设计方法。由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优的水平组合。从可持续发展浅谈正交试验设计邓小平同志指出，科学技术是第一生产力。把正交试验试验设计法转化为生产力，在工艺过程中大量运用。1.可以提高生产率，在单位时间内创造出更多的财富，节省人类劳动和资源；2.采用科学方法生产的企业对劳动者的素质提出了更高的要求，这样的劳动者在相同的时间内能创造出更多的物质财富；3.科学方法为中小企业造就出生产技能更高的工人和经营管理水平更高的管理者，从而提升了企业的竞争力。如何从27次实验变到9次实验？如何选取9次有代表性的实验？正交设计的基本原理均衡搭配整齐可比正交设计的基本原理

C1C2C3A1B1A1B1C1A1B1C2A1B1C3B2A1B2C1A1B2C2A1B2C3B3A1B3C1A1B3C2A1B3C3A2B1A2B1C1A2B1C2A2B1C3B2A2B2C1A2B2C2A2B2C3B3A2B3C1A2B3C2A2B3C3A3B1A3B1C1A3B1C2A3B1C3B2A3B2C1A3B2C2A3B2C3B3A3B3C1A3B3C2A3B3C3试验选择有什么特点？A因素的每个水平与B因素、C因素的各个水平在试验中各搭配一次。什么是正交实验设计？（）一种设计方法，用于确定实验中的自变量组合。一种设计方法，用于确定实验中的因变量组合。一种设计方法，用于确定实验中的控制变量组合。一种设计方法，用于确定实验中的随机取样方法。ABCD提交单选题1分正交表简介正交表是指基于正交性（均衡分散性和整齐可比性）原理，利用组合理论设计出来的安排多因素试验的表格。等水平正交表混合水平正交表正交表简介1.等水平正交表各因素水平数相等的正交表Ln（rm）试验号列号12345671111111121112222312211224122221152121212621221217221122182212112L8（27）试验号列号1234111112122231333421235223162312731328321393321L9（34）正交表简介2.混合水平正交表各因素水平数不相等的正交表Ln（rx×sm-x）试验号列号12345111111212222321122422211531212632121741221842112L8（41×24）正交表简介正交表简介特点？1)每列中不同数字出现的次数相等。2)在任意2列其横向组成的数字对中，每种数字对出现的次数相等。假设一个正交设计中有4个因素，3个水平，试验中应安排多少次观测？（）68912ABCD提交单选题1分假设一个正交设计中有5个因素，其中1个因素有4个水平，4个因素均为2水平，应该选择下列哪个正交表（）？L8（24）ABCD提交L9（23）L8（41×24）L9（41×24）单选题1分正交试验的分析方法简单、直观、计算量小，但不知结果的精度。直观分析法复杂，能够反映结果的精度，即因素对指标影响的大小。方差分析法正交试验的分析方法一、直观分析法1.单指标的正交试验设计例1.某种材料的乳化能力与温度、酯化时间和催化剂种类均有关，其影响水平如下表所示。请设计正交试验获得最佳乳化能力对应的工艺参数。水平因素温度（A）/℃酯化时间（B）/h催化剂种类（C）11303甲21202乙31104丙（1）选择合适的正交表。L9（34）（2）表头设计。（3）明确试验方案。试验号因素试验方案A空白列BC11111A1B1C121222A1B2C231333A1B3C342123A2B2C352231A2B3C162312A2B1C273132A3B3C283213A3B1C393321A3B2C1正交试验的分析方法？（4）按规定的方案做试验，得出试验结果。（5）计算极差，确定因素的主次顺序。正交试验的分析方法Ki—任意一列上水平号为i时所对应的试验结果之和；ki—Ki/s，任意一列上各水平出现的次数；R—极差，max(K1,K2,K3)-min(K1,K2,K3)试验号因素乳化能力A空白列BC111110.56212220.74313330.57421230.87522310.85623120.82731320.67832130.64933210.66K11.872.102.022.07

K22.542.232.272.23

K31.972.052.092.08

k10.6230.7000.6730.690

k20.8470.7430.7570.743

k30.6570.6830.6970.693

R0.670.180.250.16

（6）选择最优方案。A2B2C2，即温度为120℃，酯化时间为2h，催化剂选择乙。正交试验的分析方法2.多指标的正交试验设计综合平衡法：先对每个指标分别进行单指标的直观分析，再对各指标的分析结果进行综合比较和分析，得出较优方案。计算量大、信息量大，有时综合平衡较难处理。综合评分法：根据各个指标的重要程度，对得出的试验结果进行分析，给每一个试验评出一个分数，作为这个试验的总指标，然后再进行单指标试验结果的直观分析。将多指标问题转换成了单指标问题，计算量小，但准确评分较难。正交试验的分析方法3.有交互作用的正交试验设计

例2.某材料的吸光度越大越好，其吸光度与离子掺杂量（A）、B离子浓度（B）和C离子浓度（C）三个因素相关，每种因素包含两种水平，其中A和B有交互作用，A和C也有交互作用。请设计正交试验表并获得最优方案。（1）选择正交表。L8（27）（2）表头设计。（3）明确试验方案，进行试验并获得结果。（4）计算极差，判断因素主次。试验号ABA×BCA×C空列空列吸光度yi111111110.484211122220.448312211220.532412222110.516521212120.472621221210.480722112210.554822121120.552K11.9801.8842.0382.0422.0482.0242.034

K22.0582.1542.0001.9961.9902.0142.004

R0.0780.2700.0380.0460.0580.0100.030

因素主次B-A-A×C-C-A×B

正交试验的分析方法（5）选择最优方案。如果不考虑交互作用，最优方案为A2B2C1。考虑交互作用时，A×C比C对试验指标的影响更大，则需要考察因素A和C的水平搭配表，如下表。则最优方案为A2B2C2。

A1A2C1(y1+y3)/2=0.508(y5+y7)/2=0.513C2(y2+y4)/2=0.482(y6+y8)/2=0.516二、方差分析法例3.T8钢淬火试验（4因素2水平）如下表所示，其中A与B有交互作用，测试淬火硬度，硬度越大越好。请采用方差分析法设计正交试验获得最优工艺参数。因素

水平A温度/℃B时间/minC冷却液D操作方法180015油D1282011水D2正交试验的分析方法（1）选择正交表。L8（27）（2）明确试验方案，进行试验并获得结果。（3）计算方差，F值，判断影响因素的显著性。正交试验的分析方法

正交试验的分析方法

正交试验的分析方法试验号A1B2A×B3C4E(误差)5E(误差)6D7洛氏硬度Yi11111111502111222259312211225641222211585212121255621221215872211221478221211252方差S121/881/8361/8361/834/8217/881/8

自由度f11111

S/f121/881/8361/8361/881/8

F值7.14.821.221.2

4.8

显著性

**

（4）结果分析。

用F检验就可以判定因素的主次，这个例子中因素的主次顺序为：C，A×B，A，B，D。

正交试验的分析方法某工厂生产的一种产品的收率较低，为此希望通过试验提高收率。在试验中考察如下三个水平因子：问题：请采用直观分析法找出使收率达到最高的水平组合，并排列出各因素对试验指标影响的顺序。本题目属于（）单指标正交试验多指标正交试验有交互作用的正交试验无交互作用的正交试验ABCD提交多选题1分本题目选择（）正交表比较合适。ABCD提交L8（24）L8（34）L9（33）L9（34）单选题1分试验号因素收率%温度空白列加碱量催化剂种类180135甲51280248乙61380355丙58485148丙72585255甲69685335乙59790155乙87890235丙85990348甲84为提高在梳棉机上纺出的粘棉混纺纱的质量，考察三个二水平因素：试验指标为棉粒结数，该值越小越好，同时考虑交互作用A×B和A×C。请分别采用直观分析法和方差分析法找出使棉粒结数达到最低的水平组合，并排列出各因素对试验指标影响的顺序。本题目属于（）单指标正交试验多指标正交试验有交互作用的正交试验无交互作用的正交试验ABCD提交多选题1分ABCD提交本题目选择（）正交表比较合适。L8（24）L8（27）L9（27）L12（27）单选题1分试验号ABA×BCA×C误差1误差2棉粒结数111111110.30211122220.35312211220.20412222110.305212121205072211221040方差S0.0120.0350.0200.8750.6240.0120.012小结正交试验设计

基本原理：部分代表整体

正交表简介：等水平正交表、混合水平正交表

正交试验的方法：

直观分析法

方差分析法计算机在材料科学中的应用第9讲为提高在梳棉机上纺出的粘棉混纺纱的质量，考察三个二水平因素：试验指标为棉粒结数，该值越小越好，同时考虑交互作用A×B和A×C。请分别采用直观分析法和方差分析法找出使棉粒结数达到最低的水平组合，并排列出各因素对试验指标影响的顺序。试验号ABA×BCA×C误差1误差2棉粒结数111111110.30211122220.35312211220.20412222110.305212121205072211221040K11.151.31.20.81.41.151.25K21.21.051.151.550.951.20.85R0.050.250.050.750.450.050.4一、直观分析法C-A×C-B-A-A×B C选C1，A×C的交互作用大于A，再进行选择。A1A2C1(0.3+0.2)/2=0.25(0.15+0.15)/2=0.15C2(0.3+0.35)/2=0.325(0.5+0.4)/2=0.45C1B2A2二、方差分析法试验号ABA×BCA×C误差1误差2棉粒结数111111110.30211122220.35312211220.20412222110.305212121205072211221040S0.0120.0350.0200.8750.6240.0120.012f1111122S/f0.0120.0350.0200.8750.6240.0060.006F25.833.33145.8104材料设计：应用相关的信息与知识进行预测并指导人们合成具有预期性能的材料。数据库人工神经网络专家系统本节内容：（信息技术在材料设计与结构分析中的应用）相关概念（1）数据库系统（2）专家系统（3）人工神经网络2.Jade软件在物相检索中的应用（上机）3.1数据库系统概述材料科学中常用的数据库数据库系统概述层次数据模型和网状数据模型关系数据库理论涉及到各种工程和科技领域60’s70-80’s80’s后分布式数据库工程数据库模糊数据库并行数据库多媒体数据库层次数据模型网状数据模型关系数据模型数据库物理存储器数据库软件数据库系统结构数据库系统概述数据一致性、可维护性数据独立性数据共享数据结构化减少数据冗余数据库数据主要特征数据库系统概述i.需求分析了解用户需求基础：最难、耗时影响后续工作数据库设计步骤ii.概念结构设计阶段对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成概念模型iii.逻辑结构设计：将概念结构转换为数据模型，并进行优化iv.物理结构设计：存储结构存储方法数据库系统概述数据库系统概述v.数据库实施建立数据库：编程序+调试+输入数据+试运行vi.数据库的运行和维护数据库系统概述数据库的发展趋势网络化：面向全球用户智能化：单纯的数据检索、浏览→专家系统：提供咨询、帮助决策也可与CAD、CAM配套使用现代化：面向当前的需求商业化：付费—→产品质量和服务质量↗—→双赢标准化：不同单位间共享材料科学中常用的数据库1.PDF（PowderDiffractionFile）标准卡片数据库材料科学中常用的数据库材料科学中常用的数据库2.二元相图数据库材料科学中常用的数据库材料科学中常用的数据库3.晶体学数据库（CrystallographyOpenDatabase，COD数据库）/cod材料科学中常用的数据库4.萨特勒（Sadtler）光谱数据库材料科学中常用的数据库材料科学中常用的数据库5.材料性能数据库/材料科学中常用的数据库6.现代智能化网络数据库Atomly材料科学中常用的数据库（1）“更多、更强”的数据材料科学中常用的数据库（2）创新型材料设计方法采用Jade软件进行物相分析时，比对下列哪个数据库？（）PDF标准卡片数据库COD晶体学数据库二元相图数据库Sadtler光谱数据库ABCD提交单选题1分当需要分析红外光谱时，我们需要比对哪个数据库？（）PDF标准卡片数据库COD晶体学数据库二元相图数据库Sadtler光谱数据库ABCD提交单选题1分3.2专家系统历史与发展工作原理类型材料科学中典型的专家系统历史与发展第一代专家系统（DENDRAL系统，1965-1971），具有高度专业化与求解能力强的特点，但在体系结构的完整性、可移植性与灵活性方面存在短板。第二代专家系统（用于血液感染病诊断的MYCIN系统，1972-1981），首次提出知识库概念，改进了系统结构的完整性和移植性，同时在人机接口、解释机制、知识获取、知识表示等方面均有所提升。第三代专家系统（集成多种知识表示方法和多种推理机制及控制策略研发的多学科综合性专家系统，1981-1995），这一时期专家系统逐步被市场接受，开始应用于医学、地质勘探、科学研究、企业管理、工业控制、故障排除等领域。第四代专家系统（新一代专家系统，1996-至今），在计算机科学和人工智能理论快速发展的基础上，将知识工程、模糊技术、实时操作技术、神经网络技术、数据库技术等有机结合，通过并行与分布处理、多专家系统协同工作、多知识表示、自组织解题机制、人工神经网络知识获取及机器学习与纠错机制等技术形成的具有多知识库、多主体的专家系统。工作原理—→代替人进行推理、咨询、决策在某些方面（数据量大、复杂），优于人类专家工作原理什么是专家系统(ExpertSystem,ES)？专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。“数据结构+算法=程序”×传统：专家系统：“知识+推理=系统”√工作原理存储和管理专家知识存储求解问题的初始数据和推理过程中得到的中间数据以及最终的推理结论根据知识库和数据库推理

核心类型解释专家系统（interpretationES）预测专家系统（predictionES)诊断专家系统（diagnosisES）设计专家系统（designES）规划专家系统（planningES）监视专家系统（monitoringES）控制专家系统（controlES）调试专家系统（debuggingES）教学专家系统（instructionES）修理专家系统（repairES）材料科学中的典型专家系统1.铸造工艺专家系统伯明翰大学研发的CADcast专家系统构建了用于选择合金和铸造方法的知识库，根据合金种类可初步选择与其匹配的铸造方法，同时还可根据零件结构进行调整。西北工业大学研发的铸造工艺CAD产生式专家系统开发工具，该系统中知识库与数据库通过两种方式耦合，具有经验与标准相结合的特点，能够提供近七种铸造方法。铸造方法选择专家系统美国亚拉巴马大学研究者开发的砂型铸造轻金属铸件浇冒设计专家系统RDEX可以确定分型方向和分型面，识别壁厚区域，进一步确定冒口、

自然流道和浇口位置。美国宾夕法尼亚州并行技术公司开发人员通过基于启发性知识和几何分析的集成方法进行浇冒系统的自动、优化设计，开发了适用于复杂形状铸件的点模数模型，更有效地分析三维铸件的壁厚。国内的沈阳工业大学针对轧钢机机架铸造工艺，建立了知识层次结构模型，进而进行了造型、制芯方法、铸造种类选择、浇注位置、分型面选择与浇冒系统设计。材料科学中的典型专家系统浇冒设计专家系统材料科学中的典型专家系统2.热处理专家系统

主要应用于碳钢和低合金钢的热处理设计过程，包含生产周期的优化、辅助材料的选择以及构件设计等方面。材料科学中的典型专家系统3.水泥厂化验室专家系统/武汉亿胜科技有限公司

总结了几百家水泥厂化验室的工作经验，针对当前水泥厂普遍存在的一些技术问题，并经国家水泥质量监督检验中心认可，中国水泥协会推荐的适用于所有水泥厂的微机质量分析、决策的管理系统。有报表自动汇总、产质量分析、最佳配料方案、最佳磨机级配、最佳石膏掺量、最佳粉磨细度、最佳混合材掺量、窑况判断和自动预报结窑和生烧情况、智能化配料计算和智能化配球计算、设备故障原因分析和排除、远程通讯、技术咨询等。材料科学中的典型专家系统4.汽车冲压件选材专家系统南京航空航天大学汽车左车门内板选材实例材料科学中的典型专家系统汽车左车门内板选材实例材料科学中的典型专家系统汽车左车门内板选材实例材料科学中的典型专家系统汽车左车门内板选材实例专家系统的核心是（）知识库数据库推理机解释器ABCD提交单选题1分3.3人工神经网络概述学习方法与规则在材料科学中的应用概述ChatGPT人工智能聊天软件2017年7月20日，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，并将在制造、金融、农业、物流、商务、家居等重点行业和领域开展人工智能应用试点示范工作。人工智能便是基于人工神经网络发展而来的，人工神经网络的信息处理是由神经元之间的相互作用来实现的，知识与信息的存储表现为网络元件互连间分布式的物理联系。概述人脑的信息处理机制是在漫长的进化过程中形成的。到目前为止，人类对大脑是如何处理信息以及如何进行思维的只有粗浅的认识。在此基础上，以数学和物理方法并从信息处理的角度对人脑生物神经网络进行抽象，并建立某种简化模型，即人工神经网络，ANN。简化模型人工神经网络是一种旨在模仿人脑结构及其功能的脑式智能信息处理系统。概述人工神经网络的特点能力自学习自组织自适应性自学习功能1联想存储功能2高速寻找最优解功能3学习方法与规则Hebb学习规则

Widow-Hoff学习规则两个神经元同时处于激发状态时，连接强度与教师信号和网络实际输出之差成正比。有监督Hebb学习规则将上述两者结合起来

在材料科学中的应用1.在材料设计和成分优化中的应用国内学者蔡煜东等采用人工神经网络BP模型建立了化合物、金属元素参数与氧心结构（非氧心结构）之间的复杂对应关系。东北大学的张国英等在试验的基础上，提出将材料（Co-Ni二次硬化钢）的力学性能作为网络的输入量，材料的其他合金成分（C，Ni，Cr，Mo）及热处理温度（时效、淬火）作为网络的输出，采用反向传播算法（BP）建立了8×16×6网络结构，利用这个反映试验数据内在人工神经网络的数学模型，根据对材料的力学性能要求，直接确定各种合金成分含量和热处理温度。在材料科学中的应用2.在材料力学性能预测中的应用学者Myllylcoski用生产线上获得的数据，建立了能较准确地预测轧制带钢力学性能的人工神经网络模型。南京航空航天大学的李水乡等采用人工神经网络BP算法，将编织工艺参数作为人工神经网络的输入，将弹性模量及强度性能作为输出，建立了编织工艺参数与力学性能的人工神经网络模型。西北工业大学的刘马宝等人以铝合金LY12CZ为例，在试验数据的基础上，利用人工神经网络首次建立了预测超塑变形后材料的室温性能指标，并且充分反映了超塑变形工艺参数对其室温机械性能变化的影响规律。专家系统和人工神经网络工作原理有何区别？专家系统利用知识库解决已知问题；神经网络利用知识库学习用以解决未知问题。专家系统依赖于知识库的完善。神经网络依赖于知识学习训练。3.4Jade软件在物相分析中的应用Jade软件是一款常用的材料结构分析软件，通过将样品的衍射图谱与标准图谱进行比对，获得材料的结构信息。主要功能：1、物相检索2、图谱拟合3、结构精修4、晶粒大小和微观应变5、*残余应力6、*物相定量物相检索也就是“物相定性分析”。它的基本原理是基于以下三条原则:（1）任何一种物相都有其特征的衍射谱;（2）任何两种物相的衍射谱不可能完全相同;（3）多相样品的衍射峰是各物相的简单叠加。物相检索的步骤包括:①给出检索条件；

检索子库、样品的元素组成、其他检索条件②计算机按照给定的检索条件进行检索；FOM排序