6-1 计算机辅助材料设计与模拟概述

第六章计算机辅助材料设计与模拟第一节概述1第六章计算机辅助材料设计与模拟第一节概述第二节材料设计基础第三节材料设计软件及应用第四节金属材料的热加工工艺模拟第五节计算机辅助材料设计与模拟举例---------------------------------------------------第一节材料设计概述6.1.1材料设计的定义、范围与层次6.1.2多尺度材料设计及其耦合6.1.3材料设计的途径（第五章已经涉及到了数据库）第二节材料设计基础6.2.1材料设计的结构基础（原子结构，晶体结构，电子结构，相结构）6.2.2量子力学第一性原理简介（着重介绍密度函数理论）6.2.3材料热力学，动力学和相图（热力学原理，计算方法，数据库）6.2.4概率损伤设计（材料寿命预测与可靠性评价）第三节材料设计软件及其应用（简单介绍软件的特点，基本功能，典型应用。具体细节请查阅软件主页和相关链接。）6.3.1第一性原理计算软件（参见量子化学软件中文网）6.3.1.1ABINIT（功能全，适于学习，可运行于Windows操作系统的免费软件）6.3.1.2VASP（材料研究中最为广泛使用和接受的量化软件）6.3.1.3Cerius2(功能模块多)6.3.1.4Materialstudio(功能模块多)6.3.2材料热力学和相图计算软件6.3.2.1Thermo-Calc()6.3.2.2FACTSage()6.3.2.3PANDAT((美国西南研究院为美国宇航局（NASA）开发的一个概率设计与可靠性设计软件第四节金属材料的热加工工艺模拟6.4.1铸造过程计算机模拟6.4.2压力加工计算机模拟6.4.3材料热处理计算机模拟6.4.4材料组织结构计算机模拟(断裂，晶粒长大的模拟）6.4.5焊接过程计算机模拟第五节计算机辅助材料设计与模拟举例6.4.1金属材料的设计(合金相，相图与材料设计)6.4.2陶瓷材料的设计（过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体材料??）第六章计算机辅助材料设计与模拟第一节概述26.4.3高分子材料的设计6.4.4复合材料的设计---------------------------------第一节材料设计概述6.1.1材料设计的定义、范围与层次众所周知，材料科学与工程学科的核心内容是对材料的成分（Composition）、工艺(Process)、结构(Structure)、性能(Properties)、与使用性能(Performance)等五大要素及其相互之间的关系进行定性和定量描述，从而得到优化的材料成分、工艺、结构和性能，为合理选择和使用材料提供指导。近20年来，随着材料科学、物理学、化学、生物科学、数学、工程科学的发展和成熟、以及计算机技术的飞速发展，运用高性能计算机（PowerfulComputer）和功能强大的软件（RobustSoftwarePackage）对材料科学与工程学科的基本要素及其之间的关系进行定量或半定量表征，在计算机上设计出材料的成分、工艺，预测其结构与性能已经成为可能，这就是所谓的材料设计（MaterialbyDesign），也称材料模拟（MaterialSimulating）或计算材料学（ComputationalMaterialsScience）。他们之间往往可以理解为同义词，但通常计算机模拟结果多用图象描述某一现象的演化过程，而材料设计的结果多为定量化的数据或数据库。因此，计算材料学就是基于基本的物理、化学与材料科学与工程原理，通过建立材料科学中与某一自然现象或过程相似的模型，然后通过计算机程序实现和求解这个模型来间接实现对材料的成分、制备加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述，理解材料结构与性能和功能之间的关系，引导材料发现发明，缩短材料研制周期，降低材料研制成本。计算材料学已成为一门新兴的交叉学科，是除实验和理论外解决材料科学与工程中实际问题的第三个重要研究方法。材料设计的工作范围包括从材料的组成、制备、测试、结构和特性的微观设计到材料性能、再到使用等各个环节，但其核心部分仍是在物理、化学原理基础上对材料结构与性能关系进行理论计算与分析。通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料，这是人们所追求的长远目标。自从二十世纪五十年代人们提出“材料设计”这一设想以来，材料设计已经取得了巨大进展，目前正处在应用理论和计算来“设计”材料的初期阶段，但对于部分材料体系，材料设计在新材料的研究开发中已经发挥着巨大作用。计算机模拟已经被广泛应用于材料科学与工程中各个尺度的研究设计中，在微观领域，如用实验观测方法难以实现的研究单个原子、分子运动情况，计算机模拟方法显示出直观，深刻的优势。在宏观领域，比如研究材料与结构的寿命问题，计算机模拟方法就显示出经济、高效并富有预见性的特点。总之，计算材料学是一种在功能强大的计算机上进行的模拟实验，基本上不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵活性和随机性。计算机模拟技术应用于材料科学与工程领域，一方面使我们加深了对材料科学与工程核心问题的理解，另一方面，又促进了材料科学与工程的研究开发向经济、高效、可预见方向发展。计算材料学的最终目标是实现材料的成分、工艺、结构、性能与使用的优化。当然，必须指出的是，计算材料学并不是独立于实验研究和理论研究，而是植根于实验研究和理论研究，它们之间相互补充，相互检验，相互促进。第六章计算机辅助材料设计与模拟第一节概述3对于计算材料学的研究层次，但目前尚未有统一和严格的划分标准，从广义来说，计算材料学可按研究对象的空间尺度（LengthScale）不同而划分为三个层次：微观设计层次，空间尺度在约lnm量级，是原子、电子层次的设计；连续模型层次，典型尺度在约1μm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。因此，多尺度计算材料学是指对基于量子力学的原子、电子层次;基于材料热、动力学的物相和组织演化的显微层次;到基于有限元分析和失效损伤评估的宏观材料和器件设计，以及各个层次之间的耦合。计算材料学的三个空间尺度又对应于不同的时间尺度（TimeScale），其研究对象、研究方法和研究任务是不同的，图6-1-1中形象地描绘了多尺度计算材料学的研究框架。（1）“埃与皮秒”量级的基于量子力学计算的原子、电子层次（2）“微米和小时”量级的基于材料热、动力学研究的显微层次（3）“米和年”量级的基于有限元连续介质宏观层次研究对应物理量单位分别代表的含义为：埃（原子间的距离）皮秒（原子振动时间）微米（晶粒尺度）小时（热处理时间）米（工程构件尺度）年（寿命）Lengthscale,mQM,MD,MCCALPHAD,PFMFEMPFM*10-10110-6Timescale,s10-12104109图6-1-1材料模型的层次划分Fig.6-1-1Differenttimescalesandlengthscalesinmaterialsmodel（QM-QuantumMechanics,First-principlescalculations,MD=MolecularDynamicsSimulation,MC=MonteCarloSimulation,CALPHAD=CALculationofPHaseDiagram,PFM=PhasefieldMethod,FEM=FiniteElementMethod,PFM*=ProbabilitisticFractureMechanics)6.1.2多尺度计算材料学耦合第六章计算机辅助材料设计与模拟第一节概述4从图6-1-1可以看到，在不同的时间／空间尺度范畴内研究内容和所用理论方法是不同的。对微观层次及以下的空间范围，量子力学第一性原理计算，分子动力学模拟，蒙特卡罗法是最有力的研究工具。从理论上讲，第一性原理方法只需要5个基本物理常数（即电子质量m0、电子电量e、普朗克常数h、真空中光速c、玻尔兹曼常数kB），原子种类和原子在空间中的位置安排（即晶体结构），而不需要其它经验参数就可以非常精确地计算出体系的总能，微观结构与状态，在当前的材料科学的计算模拟研究方面发展异常迅速。而分子动力学方法应用极为普遍，它根据粒子间相互作用势，计算多粒子系统的结构和动力学过程。蒙特卡洛模拟方法也叫也叫随机模拟法，可以用来优化系统的结构，比如材料科学中寻找能量有利的原子排列方式等。原则上，可用这些方法计算各种物系的结构和性质。对于以连续介质概念为基础的显微尺度模拟计算，这类计算以材料热、动力学，缺陷动力学、结构动力学研究为主要内容，计算热力学和相场模拟是最为有效的方法；例如，用热力学方法预测材料的相变过程及相变产物组成和显微结构，从而定量设计材料的成分和热加工工艺。而对于连续介质力学等宏观问题，有限元法和有限差分法能有效地处理实际问题。这种方法一般与材料或器、部件的工业生产和使用有关。例如，非晶态合金一般用液态合金经急冷而成，在生产非晶态合金宽带时，必须保证宽带中没有晶化“缺陷”，这就要求所用设备和工艺条件能保证获得均匀高速的冷却条件。采用计算机模拟计算液体合金快冷时的传热传质过程，有助于设计合理的设备和工艺，以保证产品质量。同时，在一些工程零、部件或电子元器件的设计过程中，结合材料的结构与性能，采用有限元分析和概率断裂力学方法，研究零、部件的质量与服役可靠性，从而为零部件的优化设计和使用维护提供科学依据。计算材料学的各个尺度之间又是相互耦合的。有的学者曾经把这种多尺度框架形象地喻为材料科学与工程研究中的“食物链”，意思是由前一级时间／空间尺度范畴计算所输出的结果，可作为下一级(较大)时间／空间尺度范畴进行计算的输入，这就是所谓的自下而上(Bottom-up)的设计思路。反之，较大一级时间／空间尺度范畴的结构与性能的本质原因总是可以追溯到前一级的结构与性质的，这就是所谓的自上而下(top-down)的设计思路。但是，目前计算材料学的各个模拟研究层次间的结合并不紧密，在研究过程中常常只能针对某一特殊现象对材料的某一局部进行研究，使得计算材料学的发展受到很大限制。如何发展一种新型的模拟方法，使三种不同模拟层次相耦合，建立计算机模拟的统一模型，成为计算材料学发展的关键。美国宾西法尼亚州立大学华人学者刘梓葵（Zi-KuiLiu）教授提出了一个多尺度计算材料学集成框架，用于多组元材料的建模、模拟和设计，如图6-1-2所示。该理论框架包含四个进程，分别为：（1）基于电子、原子尺度的量子化学第一性原理计算（First-PrinciplesCalculations）来预测一元、二元和三元化合物和固溶相的热力学性质、点阵参数、动力学数据；（2）通过相图和热力学数据优化方法（CALPHAD）来优化计算多组元体系的热力学性质，点阵参数，动力学性质；（3）通过相场方法（PhaseFieldSimulation）模拟显微组织的演化过程；（4）通过有限元分析（OOF）显微组织的力学反应。这些进程通过离散和并行算法以及分布式计算机软件构架集成到一起。第六章计算机辅助材料设计与模拟第一节概述5图6-1-2.Anintegratedfour-stagemultiscaleapproachformulticomponentmaterialsmodeling,simulationanddesign[2006Liu,2004Liu]6.1.3材料设计的途径材料设计一般是通过数据库和专家系统来实现的。材料知识库和数据库技术材料知识库和数据库就是以存取材料知识和性能数据为主要内容的数值数据库。计算机化了的材料知识和性能数据库具有一系列优点：如存贮信息量大、存取速度快、查询方便、使用灵活；具有多种功能，如单位转换及图形表达等；已获得广泛应用，并可以与CAD/CAM配套使用，也可