计算机在材料科学与工程中的运用

计算机在材料科学与工程中的应用Computer in MSE(Material Science and Engineering);*;*; 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。;1.1.1 材料的作用与分类;*; 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。(Next page);*; 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。;*; 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。;1.2.1计算机用于新材料的设计; 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。; 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。;1.2.2材料科学研究中的计算机模拟 ;1.2.3 材料与工艺过程的优化及自动控制; 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。;1.2.4 计算机用于数据和图像处理;1.3 材料科学研究中的数学模型建立和数值分析;*;有限差分法;有限元法;*; 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。;*;*;1.3.1 材料科学研究中主要物理场的数值模拟; 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。;1.3.2 组织转变的计算机模拟;*;*;*;1.3.3 相图计算及其软件;*; 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。;1.3.4 材料数据库; 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。;1.3.5 材料加工过程的计算机控制 ;*;1.3.6 材料科学研究中的数据与图像处理; 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。; 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。;*;*;*; 计算机作为一种现代工具