计算机在材料科学中的应用5

计 算 机 在 材 料 科 学 中 的 应 用

计算机在材料科学中的应用

随着这学期课程结束，我们这门课也已结课，通过老师的指导，通过对《计算机在材料科学中的应用》这门课的学习，通过几次去机房的实践，我初步掌握了origin，any casting等仿真软件的运用，同时也了解了计算机在材料科学中的不可或缺的地位。

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着巨大作用.但由于材料科学研究领域的广泛性和与多学科的相互渗透性,给计算机在材料科学中的应用带来了复杂性和特殊性。现在材料科学已经发展到一旦拥有了设计就能把材料制造出来的水平,这就给我们提出了一个新的可能,我们可以让工程设计人员、力学工作者和材料工作者一道再加上电子计算机,把一项工程一直设计到细观或微观的水平,这个新的发展将大大提高将来工程设备的使用效能。现代高新产业技术的不断发展 ，对我们所需材料的性能等方面也提出了较高的要求 ，同样的 ，对于材料科学研究领域本身来说 ，要求也是越来越高了 ，那么 ，材料科学研究的发展又是怎样与计算机建立起了密不可分的联系呢？这就需要我们在充分了解计算机与材料科学关系的基础上来具体地分析计算机在材料科学中的几个应用。现在 ，材料科学领域已经有了一个较好地发展 ，这就需要我们在充分利用计算机的前提下把对材料科学的研究推向一个全新的高度 ，同时 ，这个新发展将大大提高研究领域的使用效能。计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。计算机模拟技术在材料成形加工中的应用,使材料成形工艺从定性描述走向定量预测,为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案,从传统的经验试错法,推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段,对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。计算机模拟是未来材料成形制备工艺的必由之路,其发展趋势是多尺度模拟及集成。

1计算机在材料科学中的应用领域

1.1计算机用于新材料的设计

材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能,或者通过理论与设计来“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。材料设计按照设计对象和所涉及的空间尺寸可分为电子层次、原子/分子层次的微观结构设计和显微结构层次材料的结构设计。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。 1.2材料科学研究中的计算机模拟

利用计算机对真实的系统进行模拟实验、提供收模拟结果,指导新材料研究,是材料设计的有效方法之一。材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的过程,包括合成、结构、性能制备和使用等。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。

1.3材料与工艺过程的优化及自动控制

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。用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制。例如在计算机对工艺过程的数学模型进行模拟的基础上,可以用计算机对渗碳渗氮全过程进行控制。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。控制技术也由最初的简单顺序控制发展到数学模型在线控制和统计过程控制,由分散的个别控制发展到计算机综合管理与控制,控制水平提高,可靠性得到充分保证。

1.4计算机用于数据和图像处理

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。材料的性能与其凝聚态结构有密不可分的关系,其研究的手段之一就是光学显微镜和电子显微镜技术,这些技术以二维图像方式表述材料的凝聚态结构。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。

2计算机的具体应用

2.1材料科学研究中的数学模型建立和数值分析

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。计算机技术的发展为数学模型的建立和求解提供了新的舞台,极大地推动了数学向其他技术科学的渗透。许多力学问题、物理问题人们已经得到了它应遵循的基本方程(微分方程)和相应的定解条件,但很难通过精确的数学计算得出其解析解,而随着计算机技术的引人,采用数值分析方法来求解这类问题己得到广泛的应用和发展。 2.1.1有限差分法

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。 2.1.2有限元法

它是将连续的介质(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。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。

2.2材料科学研究中主要物理场的数值模拟 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”。各种材料在加工、成型过程中都会遇到与温度场有关的问题,如金属材料的热加工、

高分子材料的成型以及陶瓷材料的烧结等,其中,传热过程对材料的机理研究、相变研究、工艺质量、过程控制、节能及新技术的开发和应用都非常重要。因此,利用计算机技术解决传热问题是材料科学与工程技术发展中的重要课题之一。材料科学与工程中经常会遇到弹性力学等问题,应用有限元法是求解这类问题最常用的手段之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。 2.3组织转变的计算机模拟

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TIT曲线和CCT曲线为组织转变提供了两种不同的模拟途径。TIT曲线即这种时间—温度—转变的曲线,是连续冷却条件下钢的组织转变过程曲线,即连续冷却转变曲线,它给出的是钢在快速冷却至不同温度下等温停留过程中的组织转变情况,可以清楚地显示不同温度下的转变特征。CCT是连续冷却条件下钢的组织转变过程曲线,即连续冷却转变曲线,这种曲线是研究、生产和使用钢种必不可少的工具,用计算机来模拟这种TIT曲线得到了迅速的推广和应用。

2.4相图计算及其软件

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。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。 2.5材料数据库

材料数据的特点是数据量庞大,世界上已有工程材料数10万种,各种化合物达几百万种,材料的成分结构、性能及使用等构成了庞大的信息体系,由此材料数据库应运而生。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10种各类数据库。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。 2.6材料加工过程的计算机控制

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(PLc)[s]。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(CAD/CAM)、计算机辅助研究、材料加工过程的全面质量管理等。

2.7材料科学研究中的数据与图像处理

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

一个比较著名的软件如Telesoftware微软的o6gin软件,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,用数据作图,用多种函数拟合曲线等。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。典型的应用如计算机图像分析系统在金属材料研究中的应用,包括晶粒度测量、夹杂物的评级、相分析(包括测含量及形状因子)以及显微硬度、孔洞率、球化率、圆度和涂层厚度的测定。

3材料检测方面的应用

计算机在材料检测中的应用目前主要集中于材料的成分、组织结构与物相、物理性能的检测,以及机械零部州一的无损检测等方面。其基本方法是借助于某种探测器月各探测到的信号转化为数字信号传输到计算机里,然后通过程序员编制的相关程序对这些数字信号判断、处理后得到相应结果。譬如,能谱分析仪、X射线仪、超声波无损检测仪山2?」及万能材料实验机等的计算机处理系统等就是这方面应用的成功事例。今后计算机在材料科学中的应用会日益广泛.日益深入,作为材料工作者,应充分利用这一现代化工具来排动材料利学的发展。

4结束语

材料科学是多学科交叉的新兴的发展不成熟的学科,目前对它的研究很大程度上还依赖于事实和经验的积累,系统地研究还需一个很长的过程。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。

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