計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

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材料化學(xué)20220679張冰

設(shè)計(jì)最佳的制備和加工辦法。材料設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象和所涉及的空問尺寸可分為電子層次、原子／分子層次的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和顯微結(jié)構(gòu)層次材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。材料設(shè)計(jì)主要是利用人工智能、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)模擬、學(xué)問庫和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，將物理、化學(xué)理論和大批雜亂的試驗(yàn)資料交流起來，用歸納和演繹相結(jié)合的方式對(duì)新材料的研制作出決策，為材料設(shè)計(jì)的實(shí)施提供行之有效的技術(shù)和辦法。

2.材料科學(xué)討論中的計(jì)算機(jī)模擬

利用計(jì)算機(jī)對(duì)真切系統(tǒng)模擬試驗(yàn)、提供模擬結(jié)果，指導(dǎo)新材料討論，是材料設(shè)計(jì)的有效辦法之一。材料設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)模擬對(duì)象遍及從材料研制到使用的過程，包括合成、結(jié)構(gòu)、性能制備和使用等。計(jì)算機(jī)模擬是一種按照實(shí)際體系在計(jì)算機(jī)上舉行的模擬試驗(yàn)。通過將模擬結(jié)果與實(shí)際體系的試驗(yàn)數(shù)據(jù)舉行比較，可以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_?????性，也可以檢驗(yàn)出模型導(dǎo)出的解析理論所作的簡化近似是否勝利，還可為現(xiàn)實(shí)模型和試驗(yàn)室中無法實(shí)現(xiàn)的探究模型做具體的預(yù)測并提供辦法。

3材料與工藝過程的優(yōu)化及自動(dòng)控制

材料加工技術(shù)的進(jìn)展主要體現(xiàn)在控制技術(shù)的飛快進(jìn)展，微機(jī)和可編程控制器(PLC)在材料加工過程中的應(yīng)用正體現(xiàn)了這種進(jìn)展和趨勢。在材料加工過程中利用計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，更能改善產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，提高產(chǎn)量。用計(jì)算機(jī)可以對(duì)材料加工工藝過程舉行優(yōu)化控制。例如在計(jì)算機(jī)對(duì)工藝過程的數(shù)學(xué)模型舉行模擬的基礎(chǔ)上，可以用計(jì)算機(jī)對(duì)滲碳滲氮全過程舉行控制。在材料的制備中，可以對(duì)過程舉行精確的控制，例如材料表面處理(熱處理)中的爐溫控制

等。計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，使工藝設(shè)備、檢測手段的精確?????性和精確度等大大提高。控制技術(shù)也由最初的容易挨次控制進(jìn)展到數(shù)學(xué)模型在線控制和統(tǒng)計(jì)過程控制，由簇?fù)淼膫€(gè)別控制進(jìn)展到計(jì)算機(jī)綜合管理與控制，控制水平提高，牢靠性得到充分保證。

4計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)和圖像處理

材料科學(xué)討論在試驗(yàn)中可以獲得大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備，可以大量保存數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)舉行處理(計(jì)算、繪圖，擬合分析)和迅速查詢等。材料的性能與其凝結(jié)態(tài)結(jié)構(gòu)有密不行分的關(guān)系，其討論手段之一就是光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡技術(shù)，這些技術(shù)以二維圖像方式表述材料的凝結(jié)態(tài)結(jié)構(gòu)。利用計(jì)算機(jī)圖像處理和分析功能就可以討論材料的結(jié)構(gòu)，從圖像中獵取實(shí)用的結(jié)構(gòu)信息，如晶體的大小，分布，聚攏方式等，并將這些信息和材料性能建立相應(yīng)的聯(lián)系，用來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的討論。

二計(jì)算機(jī)的詳細(xì)應(yīng)用

(1)液態(tài)金屬充型過程的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬金屬液充型過程數(shù)值模擬的討論中多數(shù)采納SO-LA-VOF(SolutionAlgorithm)法為基礎(chǔ),引入體積函數(shù)處理自由表面,并在傳熱計(jì)算和流量修正等方面舉行討論改進(jìn)。有的討論在對(duì)層流模型舉行大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后,用K-ε雙方程模型模擬充型過程的紊流現(xiàn)象[。到目前為止,雖然已討論了許多算法,如:并行算法、三維有限單元法、三維有限差分法、數(shù)值辦法與解析辦法混合的算法等,但尚沒有最好的算法,各種算法各有優(yōu)劣,應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)不同。

(2)凝固過程的數(shù)值模擬通過鑄件凝固過程數(shù)值模擬的計(jì)算,確定鑄件內(nèi)溫度場,可以畫出鑄件在隨意斷面上的等溫線分布,凝固前沿進(jìn)程,以及等時(shí)線分布,或者以動(dòng)態(tài)的方式顯示鑄件在三維方向上的凝固進(jìn)程,以確定最后凝固的部位和分析產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的位置和大小[。目前,縮孔、縮松定量預(yù)測的辦法已經(jīng)在鑄造廠得以應(yīng)用,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)應(yīng)力場的數(shù)值模擬凝固成形過程應(yīng)力場的模擬計(jì)算能夠協(xié)助預(yù)測和分析鑄件的裂紋、變形及殘余應(yīng)力,為控制由應(yīng)力應(yīng)變造成的缺陷、優(yōu)化鑄造工藝、提高鑄件尺寸精度及穩(wěn)定性提供科學(xué)依據(jù)。

(4)凝固組織形成過程的數(shù)值模擬凝固過程組織數(shù)值模擬的主要模型有蒙特卡

洛模型(MonteCarlo)、相場模型和基于界面穩(wěn)定性理論的晶體生長模型。蒙特卡洛模型缺少物理背景,不能定量地分析各種物理因素和工藝因素對(duì)凝固組織的影響,當(dāng)前使用較少;相場模型能清楚地模擬出枝晶生長、粗化過程,模擬出凝固組織的細(xì)節(jié),但相場模型需要較大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存、較快的計(jì)算速度。

三其他應(yīng)用

(1)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用在腐蝕與防護(hù)中主要應(yīng)用于電流密度分布、電場強(qiáng)度分析、電導(dǎo)率等方面,正確地反映了腐蝕過程中的變化特征,向著精確預(yù)測和嚴(yán)格定量方向進(jìn)展,對(duì)大氣腐蝕、海洋工程等預(yù)測和控制起到重大作用。采納有限元分析法、有限差分法、邊界元法三種辦法求解Laplace方程(電化學(xué)電池中的控制

電位分布等式),已經(jīng)得到證明。通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以把此方程應(yīng)用到各種復(fù)雜變化條件中舉行求解。這樣可測量電位分布圖,觀看到隨時(shí)光變化的極化性質(zhì),也可用泊松方程計(jì)算電化學(xué)作用中的性質(zhì),如電場強(qiáng)度、電流密度、電位等,用來確定陰極庇護(hù)參數(shù)和腐蝕速率的預(yù)測估量[。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也比較適用于局部腐蝕電池,腐蝕外形用元素網(wǎng)絡(luò)模擬,這種模擬已用于電偶腐蝕和濃度電池,腐蝕電池的模擬已進(jìn)一步推廣應(yīng)用到預(yù)測核廢料密封罐的長久腐蝕速率。在腐蝕領(lǐng)域中模擬技術(shù)不僅限于應(yīng)用數(shù)字模型,還探討了合金的腐蝕和鈍化,電位-FH圖同樣可用計(jì)算機(jī)模擬,協(xié)助預(yù)測腐蝕是否發(fā)生。A.Borell等以貧洛理論為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)模型模擬了晶間腐蝕,描述了TTS圖。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也用于陽極電阻公式的計(jì)算、陰極庇護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、及應(yīng)力腐蝕斷裂行為的分析等方面。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已成為腐蝕與防護(hù)討論中的一個(gè)強(qiáng)有力的工具,借助模擬技術(shù),人們已實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、控制等功能。

(2)材料檢測方面的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用目前主要集中于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與物相、物理性能的檢測,以及機(jī)械零部件的無損檢測等方面其基本辦法是借助于某種探測器內(nèi)各探測到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里,然后通過程序員編制的相關(guān)程序?qū)@些數(shù)字信號(hào)推斷、處理后得到相應(yīng)結(jié)果。譬如,能譜分析儀、X射線儀、超聲波無損檢測儀及萬能材料試驗(yàn)機(jī)等的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等就是這方面應(yīng)用的勝利事例。今后計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用會(huì)日益廣泛深化,作為材料工,

應(yīng)充分利用這一現(xiàn)代化工具來推進(jìn)材料科學(xué)的進(jìn)展。

(3)金屬粉末注射成形過程的計(jì)算機(jī)模擬

基于延續(xù)介質(zhì)理論,應(yīng)用有限元軟件ANSYS的FLOTRAN流體分析模塊,對(duì)金屬粉末注射成形過程舉行了模擬分析,揭示了金屬粉末注射成形時(shí)喂料流淌填充型腔的速度、壓力與注射時(shí)光的關(guān)系;得到了注射壓力對(duì)充填時(shí)光和型腔壓力的影響邏輯,確定了最佳的充模時(shí)光;分析了不同澆口位置注射時(shí)注射件關(guān)鍵單元的流淌速度和壓力分布,預(yù)測了注射件的成形質(zhì)量,提出了防止注射件缺陷產(chǎn)生的措施。

1新材料新臺(tái)金的設(shè)計(jì)與開發(fā)，長久以來采納的是配方辦法。它的基本原理是，從已有的大量數(shù)據(jù)、閱歷事實(shí)動(dòng)身，利用現(xiàn)有的各種不同結(jié)構(gòu)層次的數(shù)學(xué)模型，如臺(tái)金的成竹、組織、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)數(shù)據(jù)理論．如固體與分子閱歷電子理論．量子理論等，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算對(duì)照、推理思維來完成優(yōu)選額臺(tái)金、額村料的設(shè)計(jì)過程。

2材料加工的自動(dòng)化控制材料加工是指創(chuàng)造材料的各種手段以

及處理過程?；驹硎牵凑詹牧霞庸こ叽缁蛐阅芤笙蛴?jì)算機(jī)輸入豐H關(guān)數(shù)據(jù)，有時(shí)也需利用某種傳感器探測相應(yīng)信息t將得到的信息經(jīng)過模，數(shù)CA／D1轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)．計(jì)算機(jī)經(jīng)過自己的程序處理．最后將處理后的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)數(shù)／橫(D／A／n)換器變成譙擬信息．進(jìn)而將模擬信息傳輸?shù)狡湎鄳?yīng)的執(zhí)行設(shè)備以達(dá)到3自動(dòng)控制效果。

材料討論科學(xué)中的數(shù)據(jù)處理。計(jì)算機(jī)迅速精確?????的計(jì)算功能正巧滿足了這些條件和要求，不僅精確?????度顯然提高．且運(yùn)算時(shí)光僅需幾秒鐘。

4材料行為工藝的計(jì)算機(jī)模擬

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算推理和作圖功能．按照事物的客觀環(huán)境條什及本身性質(zhì)邏輯．模仿實(shí)際狀況米推想預(yù)告可能浮現(xiàn)狀況的一九技術(shù)。

5材料檢測方面的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)在材料檢測中的應(yīng)用目前主要集中于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與物相、物理性能的檢測以及機(jī)械零部件的無損檢測等方面。其基本辦法是借助于某種探測器．將探測到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)里然后通過程序員編制的相關(guān)程序?qū)@些數(shù)字信號(hào)推斷、處理后得到相應(yīng)結(jié)果。

四總結(jié)

未來，計(jì)算機(jī)在材料方面將會(huì)有更大的應(yīng)用，不僅僅是現(xiàn)在這些應(yīng)用，社會(huì)隨著時(shí)光的進(jìn)展還會(huì)產(chǎn)生更多的應(yīng)用，我們將在不斷的努力討論出更得更便利的有用東西，計(jì)算機(jī)在材料方面材會(huì)有更多的長進(jìn)。材料科學(xué)是多學(xué)科交又的新興的進(jìn)展不成熟的學(xué)科,目前對(duì)它的討論很大程度上還依靠于事實(shí)和閱歷的堆積,系統(tǒng)地討論還需一個(gè)很長的過程。計(jì)算機(jī)作為一種現(xiàn)代工具,在當(dāng)今世界的各個(gè)領(lǐng)域日益發(fā)揮巨大的作用,它己滲透到各門學(xué)科領(lǐng)域以及日常生活中成為現(xiàn)代化的標(biāo)志。在材料領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)也正在逐漸成為極其重要的工具,計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用正是材料科學(xué)飛快進(jìn)展的重要緣由之一。

sur2vey[J].ModernCasting,1999,89(5):47～51

11ZHANGYang,ZHANGLian-hong,LI