材料加工中的数值模拟方法-微观组织数值模拟

《材料加工过程的数值模拟(mónǐ)》——微观组织数值模拟(I):Office：公字楼216Tel：(O)Email：第一页，共四十三页。《材料加工过程的数值模拟》宏观(hóngguān)模拟(Macro-)微观(wēiguān)模拟(Micro-)加工过程(Processing)组织(zǔzhī)演化(Microstructure)温度场应力场流场浓度场形态应力-应变方程动量方程连续性方程扩散方程？？？热传导方程???？第二页，共四十三页。Grain/crystalInter-grainslipGrainboundaryTwinsprecipitatesAtomsMeso（介观）Micro（微观(wēiguān)）Nano（纳观）Macro(宏观(hóngguān))DifferentScales第三页，共四十三页。第四页，共四十三页。Macroscopic-scale(mm~cm,m)SolidificationGrainstructuresCETPorosity,MacrosegregationShrinkageCavity…Mesoscopic-scale(

m~cm)Grainstructures,CETDendritemorphology,SDASEutectic,PeritecticMicrosegregation,Microporosity…Microscopic-scale(nm~m)DendriticgrowthmorphologyTransition/plane-cellular-dendriticEutectic,Peritectic…Nanoscopic-scale(~nm)Nucleation(Clustering)S/LinterfacemorphologyAtomicattachmentDislocationmovement宏观(hóngguān)介观微观(wēiguān)纳观CAModels

MonteCarloLevelset

MethodStandardTransportMolecularDynamicsAtomisticSimulationFirst

PrinciplePhaseFieldModels第五页，共四十三页。

基础知识（2）计算材料学简介(jiǎnjiè)微观组织数值模拟简介相变理论基础热力学基础课程(kèchéng)安排时间：15~19周，周六上午(shàngwǔ)3～4节，周日上午3~4节

相场法（4）

相场法基本原理及其应用沉淀相析出再结晶过程凝固过程

元胞自动机（2）

基本原理模型应用

水平集法

基本原理模型应用第六页，共四十三页。主要(zhǔyào)参考书DierkRaabe，ComputationalMaterialsScienceNikolasProvatasandKenElder,

Phase-FieldMethods

inMaterialScience

andEngineering相关(xiāngguān)最新参考文献第七页，共四十三页。

Whatismicrostructure?Microstructureisbeautiful.Microstructureisamazing.Microstructureisimportant.Whymodelingandsimulation?Outlines第八页，共四十三页。Microstructureisdefinedasthe

structureofapreparedsurfaceorthinfoilofmaterialasrevealedbyamicroscopeabove25Xmagnification.

---FromWikipediaAmicrographofbronzerevealingacastdendriticstructureWhatismicrostructure?第九页，共四十三页。ThisisanopticalinterferencecontrastmicrographthatwastakenwithaLeicaMEF4AmicroscopeequippedwithaSonyDKC5000Camera..MicrostructureisBeautiful.Zincoxidesinglecrystals第十页，共四十三页。GranulatedSugar白砂糖一种(yīzhǒnɡ)酪酸盐日本(rìběn)-秋山実（MinoruAkiyama）摄影家MicrostructureisBeautiful.第十一页，共四十三页。酒石酸结晶(jiéjīng)陨石(yǔnshí)（Fe-Ni合金）MicrostructureisBeautiful.第十二页，共四十三页。Thymol一种(yīzhǒnɡ)酚碳化硅MicrostructureisBeautiful.第十三页，共四十三页。硅铁结晶硅MicrostructureisBeautiful.第十四页，共四十三页。铸铁(zhùtiě)Gallium镓MicrostructureisBeautiful.第十五页，共四十三页。液晶(yèjīng)材料金刚石MicrostructureisBeautiful.第十六页，共四十三页。NonlineardynamicsofsandrippleformationMicrostructureisAmazing.Eutecticstructures沙丘(shāqiū)vs.共晶第十七页，共四十三页。雪花(xuěhuā)vs.枝晶MicrostructureisAmazing.第十八页，共四十三页。STM

5-foldsurfaceofi-Al-Pd-MnMicrostructureisAmazing.云南元阳(yuányánɡ)梯田梯田(tītián)vs.台阶组织第十九页，共四十三页。MicrostructureisAmazing.斑纹(bānwén)vs.条带、点状组织第二十页，共四十三页。螺形位错引力和转动的共同影响下形成星系(xīngxì)的螺旋结构MicrostructureisAmazing.星云(xīngyún)vs.位错第二十一页，共四十三页。MicrostructureisAmazing.MorphologicalSimilarity

Connections？？各种(ɡèzhǒnɡ)形态的枝晶组织第二十二页，共四十三页。成分(chéngfèn)-工艺-组织-性能性能(xìngnéng)是目的，成分是基础，组织是形态，工艺是手段TheMaterialsTetrahedronMCFlemings&PraveenChaudhari1989Microstructureisimportant.第二十三页，共四十三页。典型(diǎnxíng)微观组织DendritesEutectic微观(wēiguān)组织的形成和演化是材料科学的核心内容之一，而相变过程控制已经成为提高传统材料性能和开发新型材料的重要途径。CellularPeritecticMicrostructureisimportant.第二十四页，共四十三页。Modeling是沟通理论与实验、微观(wēiguān)与宏观的桥梁WhyModelingandSimulation?Characterization第二十五页，共四十三页。Al-Cu枝晶二维形貌(xínɡmào)（横/纵截面）Al-Cu合金(héjīn)等温粗化????第二十六页，共四十三页。ScienceUnderstandingPracticeApplicationsMicrostructureModelingofferinsightintothephenomenonofmicrostructureevolution;improveourunderstandingofthephysicsofmaterialsprocessingalloydesign;improvementsincurrenttechnologies;development

ofnewprocesses.第二十七页，共四十三页。实验分析模型数值模拟微观(wēiguān)组织材料(cáiliào)性能

具体信息可视化低成本

成分(chéngfèn)工艺第二十八页，共四十三页。计算材料(cáiliào)学概述计算机技术的快速发展计算材料(cáiliào)学简介材料模拟中的多尺度材料模拟中的主要方法第二十九页，共四十三页。

计算(jìsuàn)科学

应用科学(yìngyòngkēxué)

计算机硬/软件(ruǎnjiàn)

数学什么是计算科学？第三十页，共四十三页。Moore定律(dìnglǜ)（1965）：计算机的CPU速度每1.5年增加一倍“科学(kēxué)计算已经是继理论科学(kēxué)、实验科学(kēxué)之后，人类认识与征服自然的第三种科学(kēxué)方法”。计算机软硬件条件(tiáojiàn)的飞速发展为科学计算的广泛应用提供了有力保证。第三十一页，共四十三页。第三十二页，共四十三页。2048颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器14336颗IntelXeonX56702.93GHz六核心处理器7168块NVIDIATeslaM2050高性能计算卡“天河一号A”峰值运算(yùnsuàn)速度为每秒４７００万亿次。实测运算(yùnsuàn)速度每秒2570万亿次。6144个通用处理器（3072x2IntelQuadCoreXeonE55402.53GHz/E55403.0GHz）；5120个加速(jiāsù)处理器（2560ATIRadeon4870x2575MHz）内存总容量98TB；点点通信带宽40Gbps；共享磁盘总容量为1PB第三十三页，共四十三页。计算(jìsuàn)材料学概述计算机技术的快速发展计算材料(cáiliào)学简介材料模拟中的多尺度材料模拟中的主要方法第三十四页，共四十三页。

计算(jìsuàn)—第三种科学手段计算填补理论分析与实验之间的空白计算使得人们能够深入研究一大批从科学理论分析角度看过于复杂、过于困难，而从科学实验角度看又过于昂贵、过于危险，甚至是无法进行的探索问题计算已成为理论与实验相互补充的第三种手段,已成为人们认识世界的第三只眼睛计算科学至今(zhìjīn)尚未具备象理论、实验与工程设计那些传统方式可预测的可靠性任何计算模型只是客观真实事物的一个近似AdvantageDisadvantage第三十五页，共四十三页。Ithasalwaysbeenadreamofmaterialsresearcherstodesignanewmaterialcompletelyonpaper,optimizingthecompositionandprocessingstepsinordertoachievethepropertiesrequiredforagivenapplication.GerbrandCeder,“COMPUTATIONALMATERIALSSCIENCE:PredictingPropertiesfromScratch”,Science,Vol280,Issue5366,1099-1100,15May1998经验型（炒菜式）智能型（材料(cáiliào)设计）

第三十六页，共四十三页。计算材料科学（ComputationalMaterialsScience)（欧洲）计算机分析与模拟（Computer-basedAnalysisandModeling)（美国）材料(cáiliào)设计（MaterialsDesign）（日本）ComputationalMaterialsScience（ElsevierScience公司(ɡōnɡsī)）1994年创刊ModelingandSimulationinMaterialsScienceandEngineering（英国皇家学会）,1992年创刊JournalofComputer-AidedMaterialsDesign(Kluwer公司）1997年创刊

第三十七页，共四十三页。计算材料学是近年里飞速发展的一门新兴交叉学科。它综合了凝聚态物理、材料物理学、理论化学、材料力学、工程力学、应用数学、计算机算法等多个相关学科。本学科的目的是利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化学性质，深入(shēnrù)理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征，并对于材料的结构和物性进行理论预言，从而达到设计新材料的目的。第三十八页，共四十三页。计算材料(cáiliào)学概述计算机技术的快速发展计算(jìsuàn)材料学简介材料模拟中的多尺度材料模拟中的主要方法第三十九页，共四十三页。MultiscaleModelling&Simulations10-910-610-3100LengthScale,m10-1510-1210-910-610-3100103Time,sAtomisticDislocationsSubstructuresGrain/PhaseMacro-InterfaceFEACellularAutomataPhaseFieldDislocationDynamicsMolecularDynamicsTightBindingAb-Initio(Chemistry-Processing-Structure-Property…Performance)PhysicalChemicalBiologicalMechanical第四十页，共四十三页。SimulationsofheattransferanddiffusioninnuclearfuelsPhaseFieldsimulat