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计算机在材料科学中的应用 黄万 (包头钢铁设计研究总院，内蒙古包头014010) 摘要:文章介绍了计算机网络技术在材料科学研究中的应用，阐述了材料科学研究领域中应用计算机的思路、方 法、和原理。分析了计算机相关软件在新材料的设计、科学研究中的计算机模拟、材料的加工工艺及自动化控制等 方面的广泛应用，探讨了计算机在材料科学研究领域中的具体应用，可供从事材料研究、开发和应用的工程技术人 员参考。 关钮词:计算机技术;计算机网络;材料科学;材料设计

现在材料科学已经发展到一旦拥有了设计就能 把材料制造出来的水平，这就给我们提出了一个新 的可能，我们可以让工程设计人员、力学工作者和材 料工作者一道再加上电子计算机，把一项工程一直 设计到细观或微观的水平，这个新的发展将大大提 高将来工程设备的使用效能。 1计算机在材料科学中的应用领域川 1.1计算机用于新材料的设计 材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组 分、结构与性能，或者通过理论与设计来“订做”具有 特定性能的新材料，按生产要求设计最佳的制备和 加工方法。材料设计按照设计对象和所涉及的空间 尺寸可分为电子层次、原子/分子层次的微观结构设 计和显微结构层次材料的结构设计。 材料设计主要是利用人工智能、模式识别、计算 机模拟、知识库和数据库等技术，使人们能将物理、 化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来，用归纳 和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策，为 材料设计的实施提供行之有效的技术和方法。 1.2材料科学研究中的计算机模拟 利用计算机对真实的系统进行模拟实验、提供 收稿日期二2(XM一08一24 作者简介:黄万(1%9一)，女，内蒙古包头市人，机械工程师，现从事机械设计工作。 计算机在材料科学中的应用 模拟结果，指导新材料研究，是材料设计的有效方法 之一。材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研 制到使用的过程，包括合成、结构、性能制备和使用 等。 计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进 行的模拟实验。通过将模拟结果与实际体系的实验 数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验 出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功， 还可为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做 详细的预测并提供方法。 1.3材料与工艺过程的优化及自动控制 材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞 速发展，微机和可编程控制器(PLc)在材料加工过 程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材料加工 过程中利用计算机技术不仅能减轻劳动强度，更能 改善产品的质量和精度，提高产量。 用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控 制。例如在计算机对工艺过程的数学模型进行模拟 的基础上，可以用计算机对渗碳渗氮全过程进行控 制。在材料的制备中，可以对过程进行精确的控制， 例如材料表面处理(热处理)中的炉温控制等。计算 机技术和微电子技术、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大大提高。控 制技术也由最初的简单顺序控制发展到数学模型在 线控制和统计过程控制，由分散的个别控制发展到 计算机综合管理与控制，控制水平提高，可靠性得到 充分保证。 1.4计算机用于数据和图像处理 材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数 据，借助计算机的存储设备，可以大量保存数据，并 对这些数据进行处理(计算、绘图，拟合分析)和快速 查询等。 材料的性能与其凝聚态结构有密不可分的关 系，其研究的手段之一就是光学显微镜和电子显微 镜技术，这些技术以二维图像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就可以 研究材料的结构，从图像中获取有用的结构信息，如 晶体的大小，分布，聚集方式等，并将这些信息和材 料性能建立相应的联系，用来指导结构的研究。 2计算机的具体应用 2.1材料科学研究中的数学模型建立和数值分析 数学模型建立是一种具有创新性的科学方法， 它将现实问题简化，抽象为一个数学问题或数学模 型，再采用适当的数学方法求解，进而对现实问题进 行定量的分析和研究，最终达到解决实际问题的目 的。计算机技术的发展为数学模型的建立和求解提 供了新的舞台，极大地推动了数学向其他技术科学 的渗透。 许多力学问题、物理问题人们已经得到了它应 遵循的基本方程(微分方程)和相应的定解条件，但 很难通过精确的数学计算得出其解析解，而随着计 算机技术的引人，采用数值分析方法来求解这类问 题己得到广泛的应用和发展。 2.1.1有限差分法 建立差分方程，用有限差分代替无限微分，以差 分代数方程代替微分方程，以数值计算代替数学推 导过程，从而将连续函数离散化，以有限的，离散的 数值代替连续的函数分布。计算机是实现上述离散 和计算的强大工具。 2.1.2有限元法 它是将连续的介质(材料)划分为许多微小的单 元(有限个单元)，在确定其边界条件后对其进行单 元求解，从而获得整体介质的相关性能。有限元法 的实现必须通过计算机，利用计算机强大而快速的 数据计算、处理和存储能力进行有限元计算。 主要是利用有限元软件进行分析，方法是先建 立某个零件的几何模型，然后赋予其一定的材质(钢 材、木材等)(这些材质的力学等性能是己知的)，施 加载荷，然后根据其边界条件进行有限元分析。 有限元软件有很多，如: SAp(Struetu耐Anal”15肠脚m)。美国加J、H大 学伯克利分校的线性静、动力学结构分析程序。 NASTRAN(NASAStrueturalAnalysi。)，美国国家 航空和宇航局(NASA)的结构分析程序。 ANsys(ANALYslssys几M)[2]，通用大型有限 元分析软件，世界最权威的有限元产品。 IDEAS(Ite脚tenesi，枷日ysisProgram)，美国 SDRC公司的机械通用软件，集成化设计工程分析系 统。集设计，分析，数据加工，塑料模具设计和测试 数据为一体的工作站用软件。 ALGOR，美国ALGOR公司在SAP和ADINA有 限元分析程序的基础上针对微机平台开发的有限元 分析系统。 2.2材料科学研究中主要物理场的数值模拟 包括材料的传热(温度场)、应力场(力学问题) 包钢科技第31卷 和浓度场(内部原子的迁移流动)等的计算，以上问 题即可采用前述的有限元分析法进行模拟“传热传 质过程”。 各种材料在加工、成型过程中都会遇到与温度 场有关的问题，如金属材料的热加工、高分子材料的 成型以及陶瓷材料的烧结等，其中，传热过程对材料 的机理研究、相变研究、工艺质量、过程控制、节能及 新技术的开发和应用都非常重要。因此，利用计算 机技术解决传热问题是材料科学与工程技术发展中 的重要课题之一。 材料科学与工程中经常会遇到弹性力学等问 题，应用有限元法是求解这类问题最常用的手段之 材料内部原子迁移的微观过程和由此引起的物 质的宏观流动与材料在生产和使用过程中的许多物 理化学过程密切相关，因此使用有限元法对扩散的 浓度场进行计算的技术具有重要的意义。 2.3组织转变的计算机模拟 钢材的性能主要取决于其内部的组织结构，钢 的常温组织是在加热之后的冷却过程中形成和完成 的，为了使钢材获得某种预期的组织结构，就需要准 确地测量钢在热处理或热加工过程中的冷却过程。 计算机模拟技术的开展使材料的组织转变数值模拟 成为可能，钢的TIT曲线和CCT曲线为组织转变提 供了两种不同的模拟途径。 竹T(Time一TemPerature一Transfon”ation)曲线即 这种时间—温度—转变的曲线，是连续冷却条件下钢的组织转变过程曲线，即连续冷却转变曲线， 它给出的是钢在快速冷却至不同温度下等温停留过 程中的组织转变情况，可以清楚地显示不同温度下 的转变特征。CcT(eontinuousCoolingTransfo~ion)是连续冷却条件下钢的组织转变过程曲线，即连续 冷却转变曲线，这种曲线是研究、生产和使用钢种必 不可少的工具，用计算机来模拟这种TIT曲线得到 了迅速的推广和应用。 2.4相图计算及其软件 相图是描述相平衡系统的重要几何图形，通过 相图可以获得某些热力学资料;反之，由热力学数据 建立一定的模型也可计算和绘制相图。用计算机来 计算和绘制相图有了广泛的应用。 当今最具代表性的材料集成热化学数据库和相 图计算软件是瑞典皇家工学院开发的The~一Calc 系统和加拿大蒙特利尔工业大学开发的FACT系 统。 The~一C习c包括物质和溶液数据库、热力学 计算系统(The~一Cal。)和热力学评估系统(乳p); FACT包括物质和溶液两个数据库及一套热力学和 相图等的优化计算软件。这些软件的共同特定是集 成了具有自洽性的热化学数据库和先进的计算软 件。可用于各种类型的二元、三元和多元相图的平 衡计算。 2.5材料数据库 材料数据的特点是数据量庞大，世界上已有工 程材料数10万种，各种化合物达几百万种，材料的 成分结构、性能及使用等构成了庞大的信息体系，由 此材料数据库应运而生。 计算机材料数据库具有存储信息量大、存取速 度快、查询方便、使用灵活、应用广泛等优点。目前 已有的材料数据库包括:合金相图数据库、陶瓷相图 数据库、材料腐蚀数据库、材料摩擦磨损数据库等， 还包括材料力学性能数据库、金属弹性性能数据中 心和金属扩散数据中心等数10种各类数据库。网 络技术的发展使得材料数据库进一步走向现代化， 在材料研究、理化测试、产品设计和决策咨询中得到 广泛应用。 另外，利用人工智能技术的材料加工等专家系 统也得到了很大的发展。包括预测专家系统、诊断 专家系统、设计专家系统、规划专家系统、监视专家 系统、控制专家系统等。 2.6材料加工过程的计算机控制 生产过程自动控制是生产过程现代化的标志之 一。在材料加工控制领域，运用较多的是微型计算 机和可编程控制器(PLc)[s]。计算机在材料加工中 的应用包括以下几个方面:物化性能测试数据的自 动聚集和处理、加工过程的自动控制、计算机辅助设 计和制造(CAD/CAM)、计算机辅助研究、材料加工 过程的全面质量管理等。 2.7材料科学研究中的数据与图像处理 利用计算机可以大量保存并方便快速查找实验 数据，而且更重要的是可以对数据作进一步的后续 处理(计算、绘图、拟合分析等)。目前，可用于数据 管理、计算、绘图、解析和拟合分析的软件很多，有些 功能强大，有些则相对简单、专业化。一个比较著名 的软件如MieroealSoftware微软的o6gin软件，可以 对科学数据进行一般的处理与绘图，对实验数据进 行常规处理和一般的统计分析，(下转第17页) 包钢年产铁7(X)万t铁渣场存在问题及对策 间，d。 4x30 爪备=云弧州丽 =2条 3存在的问题 (l)经过计算，包钢年产铁达到700万t时，铁 渣场需要4条翻渣线，2条备用线，才能保证炼铁厂 正常生产。目前铁渣场仅有1道、5道、6道，8道可 用于翻渣作业，其中运用2条，备用1条，另1条在 拨道整修。可见翻渣作业线和备用线严重不足。而 且1道和5道由于受到制约，有效翻渣长度和生产 作业周期短，拨道频繁，曲线半径小。5道、6道相互 影响无法向外扩展，翻渣作业十分困难。 (2)线路及道岔磨耗过限，枕木腐朽严重。 (3)平渣机、打罐机磨损严重，超负荷使用，无法 保证正常使用。 (4)两台拨道机已超过报废年限。 4采取的对策 (l)对现有翻渣线进行改造，延长渣线扩展时 间，提高翻渣作业线高度，提高作业能力，提高综合 保产能力并减少土地占用。具体方案为[2〕: ①将一渣场5道与二渣场6道接通，并将6道 作业线抬高3m。 ②将二渣场小车场进行改线并提高1一Zm，8 道岔线与原6道接通，并将8道、8道岔线分别抬高 2mo (2)将一渣场2道、4道原43k以m钢轨更换为 SOk酬m钢轨，并对线路进行整修，达到翻渣备用线 和粘罐处理线标准，解决翻渣作业线不足问题。 (3)制作2台平渣机、2台打罐机，解决平渣机、 打罐机超负荷使用问题。 (4)购置1台拨道机，并对其中1台拨道机进行 大修，减少枕木、钢轨消耗量，降低职工劳动强度。 5结束语 通过对铁渣场改造并购置新设备，使铁渣场形 成1、5、6、8道及8道岔线5条翻渣作业线，2、4道两 条备用线的生产能力，才能保证包钢公司年产铁 700万t时，炼铁厂对铁渣场翻渣作业的要求，适应 包钢公司钢铁生产不断发展的需求。 参考文献 〔1] 仁2] 《钢铁厂总图运愉设计参考资料》编写组.钢 铁厂总图运输设计参考资料〔M〕.北京:冶金 工业出版社，1978. YBJ52一88，钢铁企业总图运输设计规范【S]. 卜琦~.-卜.州卜一卜一卜.州卜翻叫卜.州卜一卜”刊卜一叫卜.刊卜.州卜月州卜.州卜.叫卜一叫卜.叫卜口刊卜.州卜.洲卜.叫卜一叫卜口刊卜一卜.州卜.叫卜.州卜一十.一十..州卜.训卜.州卜曰州卜.曰卜~十.目千.创卜.创卜~十.习卜.州卜一卜.州卜.州卜.州卜.侧卜.州卜~卜. (上接第8页) 用数据作图，用多种函数拟合曲线等。 计算机图像分析系统正逐渐成为辅助研究材料 结构与性能之间定量关系的一种重要手段。图像处 理主要是用常规软件(Photosh叩等)进行材料的图 像分析与处理，例如，材料凝聚态结构单元的测量， 利用图像色调整的方法进行图像的二值化，包括目 标粒子的分离，背景的去除，设定闭值进行二值化 等。典型的应用如计算机图像分析系统在金属材料 研究中的应用，包括晶粒度测量、夹杂物的评级、相 分析(包括测含量及形状因子)以及显微硬度、孔洞 率、球化率、圆度和涂层厚度的测定。 学科，目前对它的研究很大程度上还依赖于事实和经 验的积累，系统地研究还需一个很长的过程。计算机 作为一种现代工具，在当今世界的各个领域日益发挥 巨大的作用，它己渗透到各门学科领域以及日常生活 中成为现代化的标志。在材料领域，计算机也正在逐 渐成为极其重要的工具，计算机在材料科学中的应用 正是材料科学飞速发展的重要原因之一。 参考文献 吴兴惠，项金钟.现代材料计算设计教程〔Ml. 北京:电子工业出版社，2006. 龚曙光，罗显光.ANSYS基础应用及范例解析 〔M〕 . 北京:机械工业出版社，2(X)3. 廖常初.PLC基础及应用〔M〕.北京:机械工业 出版社，2003. ，毛J︸toJ，esJ，且，山飞曰尸.万r.吸‘r卫几L 3结束语 材料科学是多学科交叉的新兴的发展不成熟的

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