计算机在材料科学与工程中的应用-完整版20130918

计算机在材料科学与工程中的应用广西大学材料科学与工程学院2013.08.28第一章绪言计算机在材料科学与工程中的应用简介•用于新材料和新合金的设计•用于材料科学研究中的模拟•用于材料工艺过程的优化及自动控制•用于材料组成和微观结构的表征•用于数据和图像处理及其他用于新材料和新合金的设计按所需材料性能来设计、制备新材料和新合金，并使所设计的合金成分、组织或工艺达到最佳配合。其基本原理是基于已有的大量数据和经验事实出发，利用已有的各种不同结构层次的数学模型，如合金的成分、组织、结构与性能关系的数学模型及相关理论，通过计算机运算对比和推理思维来完成优选新合金和新材料的设计过程，其中引入了数学上的最优化理论来获得最佳方案的材料配方及生产工艺。克服来了传统“炒菜式”方法盲目性大，费工、费时和经济损耗大的缺点。材料设计专家系统设计要求性能指标材料数据库材料知识库推理机推荐成分与工艺实验验证智能化YES优化结果知识获取机器学习结果YESNO集成化数据库：存储具体有关材料的数据值，只能进行查询而不能推理。知识库：存储的是规则，当从数据库中查询不到相应的性能值时，能通过推理机构以一定的可信度给出性能的估算值，从而实现性能的预测功能。专家系统中两个最重要的部分是材料数据库和材料知识库。用于材料科学研究中的模拟采用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，了解材料的内部性质及其宏观力学行为，在没有实际制备出这些新材料前就能预测它们的性能，为设计出性能优异的新型结构材料提供强有力的理论指导。材料科学研究中的模拟“实验”比实物实验更高效、经济、灵活，并且在实验很困难或不能进行的场合仍可进行模拟“实验”，特别是在对微观状态与过程的了解方面，模拟“实验”更具有其独特性甚至有不可替代的作用。根据模拟对象的尺度范围，计算机模拟可以划分为四个层次：电子层次（0.1~1nm）、原子分子层次（1~10nm）、微观结构层次（约1m）、宏观层次（大于1m）。数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方法。选择合适的商业软件（如：热加工工艺商业软件：ANSYS、DYNA3D（板料塑性成形）、ABAQUS（焊接）、SOLIDA、AFSSolidificationSystem3D（铸造）、DEFORMAUTOFORGE、SUPERFORGE（体积塑性成形）），结合具体问题，进行改进提高研究，正逐步成为多、快、好、省的研究方法。用于材料工艺过程的优化及自动控制在材料加工过程中应用计算机不仅能减轻劳动强度，而且能改善产品的质量和精度，提高产量。利用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制，例如：可以用计算机对渗碳（氮）全过程进行控制，也可以利用计算机精密控制注塑机的注射速度。计算机技术、微电子技术和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都获得了大幅提高。用于材料组成和微观结构的表征目前，材料组成和结构表征研究主要采用各种大型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、扫描探针显微镜、X射线衍射仪、中子衍射仪、拉曼光谱仪、原子吸收光谱仪、等离子体发射光谱仪、荧光光谱仪等，这些大型分析设备几乎无一例外的是在计算机的控制之下完成分析工作的。这些分析设备提供有不同的分析模拟软件以及相应的数据库，而且软件的功能非常强大，大大减轻了数据处理的工作量，并且可以给出各种图表。用于数据和图像处理及其他材料科学研究在实验中获得的大量实验数据可以借助计算机的存储设备进行保存，并利用计算机对这些数据进行处理（计算、绘图、拟合分析）和快速查询等。同时，利用光学显微镜和电子显微镜技术，可以以二维图像的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可以从图像中获取有用的结构信息如晶粒的大小、分布、聚集方式等，从而可以把这些结构信息与材料的性能建立起相应的联系。利用计算机网络，材料科学工作者可以很方便地查阅文献、相互交流、及追踪材料科学研究发展动向。第二章实验数据处理•一、利用MicrosoftExcel进行数据处理•二、利用Origin进行数据处理•三、实验曲线的数据拟合要点：1.从文本文档中导入数据2.电子表格的显示调整（最合适行高、列宽）3.计算功能4.公式的复制5.曲线绘制、坐标轴显示更改6.趋势线用法、参数估计7.在线帮助文件使用一、利用MicrosoftExcel进行数据处理例：腐蚀试验数据处理•在材料的腐蚀试验中，研究腐蚀的反应速度和动力学规律对了解反应机理及整个反应速度控制步骤都是非常有用的。同时，反应速度的测定也是定量描述材料腐蚀程度的基础。与理论模型相结合对研究材料腐蚀行为将很有帮助。重量法是最直接也最方便的测定高温腐蚀速度的方法。如果腐蚀后的腐蚀产物致密且牢固地附着在试样表面且质量增加时，可以用增重法来计算腐蚀速度。不同试样随时间变化的氧化增重量（A：无涂层；B：有涂层）试样氧化时间/h05102030507090110130150175200A（mg/cm2）02.213.422.330.841.848.859.666.671.9778.8485.6692.2B（mg/cm2）01.72.182.192.236.092.342.422.532.642.752.842.96数据导入要点：充分利用Word的表格转换功能：在主菜单栏中选中表格（A）转换（V）文字转换成表格（X）或表格转换成文字（B）对于存储在Word文档（即“*.doc”文档）中的数据，利用文字转换成表格功能将数据转换成表格，便可直接复制相关单元格到EXCEL中使用。对于存储在纯文本文件（即“*.txt”文档）中的数据，可利用EXCEL直接打开或读取需设置文本文件中数据之间的分隔符号（如Tab键、空格、逗号等），根据实际情况可同时选中多种分隔符号。？--怎样判断相邻数据间是到底是用Tab键还是空格键分隔呢？数据没有被分隔成列选中匹配的分隔符后数据被分隔成列单元格显示不全或过大EXCEL电子表格的显示调整按左键不放拖拽EXCEL绘图A（mg/cm2）020406080100050100150200250A（mg/cm2）020406080100050100150200250无涂层氧化增重量变化情况氧化时间/h增重量mg/cm2EXCEL图表的构成A：图表区；B：标题；C：绘图区；D：坐标轴；E：网格线ABBBDDCEAAACCEXCEL图表设置点击选中网格线，按Delete键即可去除网格线。无涂层氧化增重量变化情况020406080100050100150200250氧化时间/h增重量mg/cm2无涂层氧化增重量变化情况0102030405060708090100020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2在坐标轴上点击右键，或左键双击坐标轴以改变坐标轴格式（如刻度）。无涂层氧化增重量变化情况020406080100120020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2无涂层氧化增重量变化情况y=0.451x+11.161R2=0.9496020406080100120020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2左键点击图中散点，再点击右键，可添加“趋势线”。还可选择是否显示趋势线公式。无涂层氧化增重量变化情况y=-0.0017x2+0.7712x+3.9898R2=0.9892020406080100020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2右键点击趋势线，可改变趋势线格式，或选取其他更适合的趋势线。无涂层氧化增重量变化情况020406080100020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2有涂层试样00.511.522.533.5050100150200250有涂层试样00.511.522.533.5050100150200250在空白处点击右键，在“图表选项”中可改变图表坐标轴、网格线、标题等内容；在“图表类型”中可改变散点图为平滑散点图等。以氧化时间为X轴020406080100050100150200250氧化时间增重量以增重量为X轴050100150200250020406080100增重量氧化时间注意：Excel默认第一行或第一列作为X轴数据源，若要使第二列为X轴数据源，必须注意第一个单元格不能含非数字字符，否则所得的图像会不正确。-50050100150200250050100150200250300课后练习1、自己创建一个纯文本文件“Excel基础练习.txt”，在文件中写入两行数据，内容如下（标点符号均为中文字符）：温度：1、2、3、4、5、6蒸汽压：2、2.5、3.5、5.5、8.5、12.5（1）利用Excel软件打开该文件，并画出以第一行数据为X轴坐标，第二行数据为Y轴坐标的散点图，要求相邻两数据点间以平滑曲线相互连接。（2）为整幅图像添加标题“温度与蒸汽压的关系”，并分别为X轴和Y轴添加标题：“温度（K）”、“蒸汽压（Pa）”（3）为图像添加纵向网格线，并删除横向网格线。（4）将X轴的坐标范围由原来默认的0改为从1开始。（5）为曲线添加合适的趋势线并在图上显示出相应的公式。温度二、利用Origin进行数据处理（一）数据的导入：1、File菜单Import子菜单……2、工具栏ImportASCII图标3、工作表左上第一个空格处点击右键，弹出式菜单中的ImportASCII（二）数据的导出：1、File菜单ExportASCII（三）图片的导出：1、File菜单ExportPage（一）数据的导入：1、File菜单Import子菜单……2、工具栏ImportASCII图标3、工作表左上第一个空格处点击右键，弹出式菜单中的ImportASCII（二）数据的导出：1、File菜单ExportASCII（三）图片的导出：1、File菜单ExportPage导入数据方式1导入数据方式2导入数据方式3Origin数据处理简单实例•实验测得溅射率与离子能量的关系如表所示，请利用Origin绘制出二者的关系曲线。（点击此处可查看纯文本格式数据文件）离子能量(KeV)溅射率(%)108.1201530174019.25019.56019.8702080209020.1导入数据步骤2导入数据步骤3导入数据步骤4导入数据步骤11、选中用于作图的数据列（被选中的数据列会反色显示）2、点击2D绘图工具条中的图标以绘制所需的图案（例如带有符号的曲线图）点此图标切换显示方式：全屏或指定大小的窗口在“PlotDetails”窗口中可以更改所绘制曲线的样式（例如把曲线改为散点图、把数据点之间的直线段连接改为平滑曲线段连接、把数据点的标识符号改为其他符号等。Origin曲线样式的更改---“PlotDetails”窗口“PlotDetails”窗口的调出：方法1：点击鼠标右键，在弹出式菜单中选中“PlotDetails”菜单项；方法2：对准所绘制的曲线，双击鼠标左键。方法3：在除坐标轴及其坐标数字、各标题文本框以外的空白区域点击鼠标右键，在弹出式菜单中选中“Properties”菜单项…….方法3：在除坐标轴及其坐标数字、各标题文本框以外的空白区域点击鼠标右键，在弹出式菜单中选中“Properties”菜单项…….1.点击该菜单项2.点击所有“+”使之变为“-”3.点击此处绘图方式：散点图、纯线条、带符号的（曲）线条、柱状图等线条样式选项卡：如实线、虚线、点划线（Style选项）；线宽（Width）；颜色（Color）等数据点标识符号选项卡：实心圆、空心圆、实心三角形等数据点投影线选项卡点击之，可切换回数据（Data）窗口“PlotDetails”窗口常用选项卡点此按钮，调出可选用的符号数据点（标识）符号选项卡的使用勾选该选项，可构造其他样式的符号数据点（标识）符号选项卡的使用1、2、3、4、5、坐标轴样式