计算机在材料科学与工程中的应用概述要点.ppt

工程材料学 计算机在材料科学与工程中的应用Application of Computer in MSE（Material Science and Engineering） 本课程在教学计划中的地位、作用和任务 本课程是金属材料工程专业的专业基础课。 课程教学所要达到的目的是： 了解计算机技术及网络技术在材料科学和工程中的应用； 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，并使之能初步将计算机用于后续专业课程学习和专业设计中去； 考核方式： 作业完成情况，上课出勤率，上机表现， 上机考试。 成绩评定： 平时成绩占30％，期末考试占70％。 1.1 材料科学与工程(MSE) 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。 MSE特点： 是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。 是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。 1.2 计算机在MSE中的应用 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。 计算模拟技术是一种根据实际体系在计算机上进行的模型试验，通过将模拟结果和实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的正确性，也可以检验由计算模型得到的解析理论所作的简化近似是否成功。 在模型体系上获得的相关信息一般比在实际体系上通过实验得到的信息更多。在很多情况下，计算机模拟可以部分地取代实验。另外，计算机模拟对于理论的发展具有重要的支撑作用，它们为现实模型和实验室中无法实现的探索模型提供了一种行之有效的研究方法，如材料在超高压力和温度条件下相变，材料在超高速冲击条件下的损伤与失效等，都可以借助计算机模拟技术进行详细研究。 将理论与实验工作直接结合起来。首先是建立模型，这个模型要有一个可靠的理论基础，考虑世界的真实性。基于理论的模型才能够预测实验行为，也才能够使实验者根据现代理论解释实验结果。反过来，模拟进一步完善理论和实验研究。也就是说模拟离不开理论和实验，它们相互影响、相互促进。例如，可以通过模拟计算出一个传统的加工工艺为什么会出现问题，然后结合理论知识改进工艺方案，最后通过实际生产来验证改进的模拟结果，进一步也验证了所用模型、理论的合理性。 计算模拟架起了从微观到宏观，从基础研究到工程应用的桥梁。小到原子分子，大到飞机航母等尺度的材料行为都能通过不同的模拟方法进行计算模拟。甚至随着材料科学和计算机的发展，能实现多尺度的耦合模拟，毋庸置疑，这大大扩宽了人类认识的眼界。 材料行为工艺的计算模拟是指利用计算机对真实的系统进行模拟实验，提供材料在某种工艺条件下的行为变化规律。如对材料相变、对材料成型过程、对材料在冲击载荷下的计算机模拟等。 采用计算机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加工出这些新材料之前就能预测它们的性能，为设计优异性能的新型材料提供强有力的理论指导，同时可避免大量的实验工作，提高材料研究的效率，降低工作强度，节省研究经费。 计算模拟技术已应用于材料行为工艺研究的各个方面： 材料组织结构的计算机模拟； 材料热处理计算机模拟； 材料腐蚀与防护的计算模拟； 铸造过程计算机模拟； 材料塑性成形过程计算机模拟； 材料焊接过程计算机模拟。 先进铸造工艺计算模拟 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”！ 先进锻造工艺计算模拟 其它加工过程的模拟 显微组织模拟 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