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1、計算機在材料科學中的應用,計算機在材料科學中的應用領域 計算機的具體應用,1.1計算機用于新材料的設計,材料設計主要是利用人工智能、模式識別、計算機模擬、知識庫和數據庫等技術, 使人們能將物理、化學理論和大批雜亂的實驗資料溝通起來, 用歸納和演繹相結合的方式對新材料的研制作出決策, 為材料設計的實施提供行之有效的技術和方法。,1.2材料科學研究中的計算機模擬,計算機模擬是一種根據實際體系在計算機上進行的模擬實驗。通過將模擬結果與實際體系的實驗數據進行比較, 可以檢驗模型的準確性, 也可以檢驗出模型導出的解析理論所作的簡化近似是否成功,還可為現實模型和實驗室中無法實現的探索模型做詳細的預測并提供。

2、方法。,1.3材料與工藝過程的優化及自動控制,材料加工技術的發展主要體現在控制技術的飛速發展, 微機和可編程控制器在材料加工過程中的應用正體現了這種發展和趨勢。在材料加工過程中利用計算機技術不僅能減輕勞動強度, 更能改善產品的質量和精度, 提高產量。,在材料的制備中, 可以對過程進行精確的控制,例如材料表面處理熱處理中的爐溫控制等。計算機技術和微電子技術、自動控制技術相結合, 使工藝設備、檢測手段的準確性和精確度等大大提高。,1.4計算機用于數據和圖像處理,材料科學研究在實驗中可以獲得大量的實驗數據, 借助計算機的存儲設備, 可以大量保存數據, 并對這些數據進行處理計算、繪圖, 擬合分析和快速。

3、查詢等。利用計算機的圖像處理和分析功能就可以研究材料的結構, 從圖像中獲取有用的結構信息, 如晶體的大小, 分布, 聚集方式等, 并將這些信息和材料性能建立相應的聯系, 用來指導結構的研究。,返回,2.1材料科學研究中的數學模型建立和數值分析,數學模型建立是一種具有創新性的科學方法,它將現實問題簡化, 抽象為一個數學問題或數學模型, 再采用適當的數學方法求解, 進而對現實問題進行定量的分析和研究, 最終達到解決實際問題的目的。,2.1.1有限差分法,建立差分方程, 用有限差分代替無限微分, 以差分代數方程代替微分方程, 以數值計算代替數學推導過程, 從而將連續函數離散化, 以有限的, 離散的數。

4、值代替連續的函數分布。計算機是實現上述離散和計算的強大工具。,2.1.2有限元法,有限元法是將連續的介質材料劃分為許多微小的單元有限個單元, 在確定其邊界條件后對其進行單元求解, 從而獲得整體介質的相關性能。有限元法的實現必須通過計算機, 利用計算機強大而快速的數據計算、處理和存儲能力進行有限元計算。,主要是利用有限元軟件進行分析, 方法是先建立某個零件的幾何模型, 然后賦予其一定的材質鋼材、木材等這些材質的力學等性能是己知的, 施加載荷, 然后根據其邊界條件進行有限元分析。,2.2材料科學研究中主要物理場的數值模擬,包括材料的傳熱(溫度場)、應力場(力學問題)和濃度場(內部原子的遷移流動)等。

5、的計算, 以上問題即可采用前述的有限元分析法進行模擬“ 傳熱傳質過程”。,材料內部原子遷移的微觀過程和由此引起的物質的宏觀流動與材料在生產和使用過程中的許多物理化學過程密切相關, 因此使用有限元法對擴散的濃度場進行計算的技術具有重要的意義。,2.3組織轉變的計算機模擬,鋼材的性能主要取決于其內部的組織結構, 鋼的常溫組織是在加熱之后的冷卻過程中形成和完成的, 為了使鋼材獲得某種預期的組織結構, 就需要準確地測量鋼在熱處理或熱加工過程中的冷卻過程。計算機模擬技術的開展使材料的組織轉變數值模擬成為可能, 鋼的TTT曲線和CCT曲線為組織轉變提供了兩種不同的模擬途徑。,2.4相圖計算及其軟件,相圖是。

6、描述相平衡系統的重要幾何圖形, 通過相圖可以獲得某些熱力學資料反之, 由熱力學數據建立一定的模型也可計算和繪制相圖。用計算機來計算和繪制相圖有了廣泛的應用。,Thermo-Calc包括物質和溶液數據庫、熱力學計算系統和熱力學評估系統。Fact包括物質和溶液兩個數據庫及一套熱力學和相圖等的優化計算軟件。這些軟件的共同特定是集成了具有自洽性的熱化學數據庫和先進的計算軟件。可用于各種類型的二元、三元和多元相圖的平衡計算。,2.5材料數據庫,計算機材料數據庫具有存儲信息量大、存取速度快、查詢方便、使用靈活、應用廣泛等優點。目前已有的材料數據庫包括合金相圖數據庫、陶瓷相圖數據庫、材料腐蝕數據庫、材料摩擦。

7、磨損數據庫等,還包括材料力學性能數據庫、金屬彈性性能數據中心和金屬擴散數據中心等數種各類數據庫。,網絡技術的發展使得材料數據庫進一步走向現代化,在材料研究、理化測試、產品設計和決策咨詢中得到廣泛應用。另外, 利用人工智能技術的材料加工等專家系統也得到了很大的發展。包括預測專家系統、診斷專家系統、設計專家系統、規劃專家系統、監視專家系統、控制專家系統等。,2.6材料加工過程的計算機控制,生產過程自動控制是生產過程現代化的標志之一。在材料加工控制領域, 運用較多的是微型計算機和可編程控制器。計算機在材料加工中的應用包括以下幾個方面物化性能測試數據的自動聚集和處理、加工過程的自動控制、計算機輔助設計。

8、和制造、計算機輔助研究、材料加工過程的全面質量管理等。,2.7材料科學研究中的數據與圖像處理,利用計算機可以大量保存并方便快速查找實驗數據, 而且更重要的是可以對數據作進一步的后續處理計算、繪圖、擬合分析等。目前, 可用于數據管理、計算、繪圖、解析和擬合分析的軟件很多, 有些功能強大, 有些則相對簡單、專業化。比如origin可以對科學數據進行一般的處理與繪圖, 對實驗數據進行常規處理和一般的統計分析,計算機圖像分析系統正逐漸成為輔助研究材料結構與性能之間定量關系的一種重要手段。圖像處理主要是用常規軟件(photo shop等)進行材料的圖像分析與處理, 例如, 材料凝聚態結構單元的測量,利用圖像色調整的方法進行圖像的二值化, 包括目標粒子的分離, 背景的去除, 設定閉值進行二值化等。,計算機作為一種現代工具, 在當今世界的各個領域日益發揮巨大的作用, 它己滲透到各門學科領域以及日常生活中成為現代化的標志。在材料領域, 計算機也正在逐漸成為極其重要的工具, 計算機在材料科學中的應用正是材料科學飛速發展的重要原因之一。

總結

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