计算机在材料科学与工程中的应用课件
计算机在材料科学中的应用
计算机在材料科学中的应用李伟(湖北财税职业学院信息工程系武汉430064)摘要介绍计算机技术在材料科学研究中应用领域。
探讨计算机在材料科学研究领域中的具体应用。
借助于计算机可推动材料研究、开发与应用。
关键词计算机技术材料科学应用1 引言计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。
计算机模拟技术在材料成形加工中的应用,使材料成形工艺从定性描述走向定量预测,为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案,从传统的经验试错法,推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段,对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。
计算机模拟是未来材料成形制备工艺的必由之路,其发展趋势是多尺度模拟及集成。
2 计算机在材料科学中的应用领域2. 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,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 ] , [ 3 ] 。
2. 2材料科学研究中的计算机模拟利用计算机对真实系统模拟实验、提供模拟结果,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。
计算机在材料科学中的应用---完整版
计算机在材料科学中的应用1 材料：是人类生产和生活水平提高的物质基础，是人类文明的重要支柱和进步的里程碑。
20世纪下半叶形成的以新材料技术为基础：信息技术、新能源技术、生物工程技术、空间技术、海洋开发技术的新技术群，更使材料科学得到发展。
2 20世纪60年代，被称为当代文明的三大支柱：A材料；B能源；C信息。
3 70年代新技术革命的主要标志指：A新型材料；B信息技术；C生物技术。
4 材料的分类：根据组成与结构：A金属材料；B无机非金属材料；C有机高分子材料；D复合材料。
根据性能特征和作用：A结构材料；B功能材料。
根据用途：A建筑材料；B能源材料；C电子材料；D耐火材料；E医用材料；F耐蚀材料。
5 材料的性质：是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，而这些性质终于要取决于材料的组成与结构。
材料科学与工程是研究：材料组成、结构、性能、制备工艺、使用性能以及它们之间相互关系的科学。
6 使用性能：是材料在使用状态下表现出来的行为。
7 材料的合成与制备过程的内容：A传统的冶炼、制粉、压力加工和焊接；B也包括各种新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺。
8 材料科学飞速发展的重要原因之一：材料科学随着各种技术的更新而出现了高速发展的趋势，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。
9 计算机在材料科学中的应用：A计算机用与新材料的设计；B材料科学研究中的计算机模拟；C材料工艺过程的优化及自动控制；D计算机用于数据和图像处理；E计算机网络在材料研究中的应用。
10材料设计：设想始于20世纪50年代，是指通过理论与计算机预报新材料的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“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。
11 材料制备技术：A急冷；B分子束外延（MBD）；C有机金属化合物气相沉积；D离子注入；E微重力制备等。
12材料设计的有效方法之一：利用计算机对真实的系统进行模拟“实验”、提供实验结果、指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。
计算机在材料科学中的应用1PPT课件
Analysis of Polymer Systems)
(a)电子层次 (如电子结构)
(F)计算机模拟 (b)原子/分子层次 (如结构、力学性能、热力学和动力学性能)
的层次划分
(c)微观结构层次 (如晶粒生长、烧结、位错、极化和织构等)
能够按照使用要求对材料性能进行设计创造
-
5
材料的分类方法
（A）根据组成与结构：金属、无机非金属、有
机高分子、复合材料 （B）根据性能特征和作用：结构材料、功能材料 （C）根据用途：建筑材料、能源材料、电子材料、
耐火材料、医用材料和耐蚀材料等
材料的发展历程
简单⇒复杂，以经验为主⇒以科学知识为主 独立学科：材料科学与工程学科
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4
总体了解
（A）地位重要
20世纪60年代：材料、能源与信息 当代文明的 三大支柱 20世纪70年代：新型材料、信息技术和生物技术 新技术
革命的主要标志 目前：新材料不仅是当今世界高新技术的核心支柱，也是
产业进步的重要推动力
（B）研究时间长
转折点：19世纪
（C）目前的研究状况
人们已逐渐掌握了材料的组成、结构和性能之间的内在关系，
(C)水平：
简单顺序控制⇒数学模型在线控制和统计过程控制
分散的个别设备的控制⇒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
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计算机用于数据和图像处理
(A)数据（原始资料）：存储、计算、绘图、拟合及 快速查询
(B)图像（二维照片）：Origin、Photoshop等
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计算机网络在材料研究中的应用
计算机在材料科学与工程中的应用(1)讲解
在材料科学与工程中，一些仪器就采 用了图象处理技术，如SEM等仪器。在工程 中，采用图像处理技术可代替人工对产品 进行自动检测，大大节省了人力资源，提 高了劳动生产率。
在线自动检验------通过数码相机，将照 得的图像自动处理，辨识技术，达到自动 检验的目的。
在军事上，弹道导弹，巡航导弹
第二章 计算机应用数学基础
众所周知:要是方程有唯 一的解,这 些方程应是线性无关.也就是系数矩 阵行列式不等于零.主要解法有消元 法,追赶法,迭代法.
实际上,可分为两大类
直接法: 高斯法
间接法 : 迭代法
2.3.1 直接解法
1. 高斯消元法 高斯消元法的分类:
a. 顺序消元法, b. 列主元素法 c.全主元素法
a. 顺序消元法
xmid=(xn+1+xn)/2 再算出点的函数值f(xmid),若f(xmid)与f(xn)同号，则用 f(xmid)代替f(xn)，否则， f(xmid)代替f(xn+1)。 于是含根区间就成为[xmid,xn+1]或[xn,xmid],根的区间范 围进一步减小。如此继续下去，当误差足够小时，就 停止迭代。
动量传递耦合应用
3.材料: 从头算,量子力 学和量子化学计算指 导分子设计
4.管理:ERP 5.CAD和CAI 6. 图象处理
(1)数值计算 数值计算（numerical computation）
就是有效使用数字计算机求数学问题近似 解的方法与过程，以及由相关理论构成的 学科。
①研究新材料。可以采用数据处理、仿真技术、数学模型、数
以x*求出发f(x*)后与f(xn)和f(xn+1)比较， 照例以f(x*)代替f(xn)和f(xn+1)中的同号者。 如果f(x*)不十分接近零，在重复上述步骤，
计算机在材料科学与工程中的应用
计算机在材料科学与工程中的应用嘿，大家好，今天咱们聊聊计算机在材料科学与工程中的应用。
听起来有点高大上对吧？但别担心，我们把它讲得简单明了，轻松愉快！想象一下，材料科学就像一位魔法师，能把普通的东西变得超厉害。
而计算机就像是这位魔法师的小助手，帮他把各种奇妙的想法变成现实。
你看看，咱们身边的材料，有些是轻如羽毛，有些则坚不可摧，背后可都离不开计算机的功劳。
大家一定在想，材料科学到底是干嘛的？它就是研究各种材料的性质、结构和应用。
像咱们平常用的金属、塑料、陶瓷，还有那些新型材料，都是这门学科的“好朋友”。
而计算机的加入，那真是如虎添翼。
计算机模拟技术可以让科学家们在虚拟环境中试验不同的材料组合，省去不少时间和资源。
想象一下，以前得在实验室里弄一大堆材料，花时间做测试，现在只需在电脑前点几下，嘿，一切都可以在屏幕上完成，真是省心又高效！有趣的是，计算机不仅能帮咱们设计材料，还能预测它们的性能。
你可以把它想象成一个高明的算命师，能告诉你这块材料会不会在压力下变形，或者在高温下会不会融化。
这样一来，工程师们就能做出更靠谱的选择，避免那些“踩雷”的情况。
比如说，想象一下，如果没有计算机的帮助，咱们的手机可能会因为材料不耐高温而炸掉，那可真是惨了！可别小看这技术，有时能救命呢。
计算机的算法越来越聪明，能分析的数据量也越来越大。
这就像你打麻将时，能算出哪张牌是最好的选择，给你指路。
通过分析大量的实验数据，计算机可以识别出材料的潜在优缺点，帮助研究人员快速找到最佳方案。
更重要的是，咱们现在的材料设计不再是“一锤子买卖”，而是变得更加灵活多样。
比如，某种合金在某种条件下表现出色，但在另一些条件下可能就不行。
这时候，计算机可以提供实时反馈，帮助科学家调整实验方向，真是聪明得不得了！说到这里，咱们再来聊聊那一堆新材料。
近年来，碳纳米管、石墨烯等材料的崛起可谓是一场材料革命。
听说过这些名字吗？那可是未来的希望，轻便、强度高，应用前景无限。
计算机在材料科学中的应用
“计算机在材料科学中的应用”课程教学内容设计①武汉理工大学周静顾少轩赵志宏摘要:“计算机在材料科学中的应用”课程是为材料科学专业学生适应现代新材料研究而开设的一门重要专业基础课,我们在进行充分调研的基础上,结合本专业和现代计算机应用特点,对该课程的目标任务、性质、基本要求及课程内容进行了探讨。
关键词:材料科学专业计算机应用课程教学内容随着科学技术的飞速发展,现代计算机的应用日益显示出其强大的生命力。
计算机在材料工业、材料科学研究中的应用也是相当普遍的,在建材工业领域,如生产工艺与热工过程中的数值计算、原材料和产品性能测试与科学实验中的数据处理、物料反应过程的数值仿真、配料配方与生产设备的计算机辅助设计、生产过程与作业的自动调节控制、繁重操作与质量检测的人工智能化等都离不开计算机这一重要工具。
为了适应现代建材工业的发展,拓宽材料科学专业学生的知识面,培养可以利用现代计算技术和工具从事材料研究开发和利用的高级专业人才,开设“计算机在材料研究中的应用”课程并制定其合理的教学内容很有必要。
本文对该课程的目标任务、性质、基本要求及课程内容进行了探讨。
一、课程设置的目标任务及性质材料科学是一门实验科学,实验是制备新材料和测定其结构和性能的直接手段。
而由于计算机技术、计算理论的迅速发展,许多更加复杂、大型的计算成为可能,使得在材料研究领域,采用计算方法来研究材料的结构和性能,并指导实验研究成为一种新的研究方向。
材料科学专业主要是培养新材料开发研究人才,而计算机是现代材料科学研究中必不可少的工具。
用计算方法来研究材料,对材料的性能进行预测和指导,就是根据相关理论,采用合适的计算模型和计算方法,确立材料的理论模型,有目的地指导制备所需性能的材料。
本课程的教学目的是,通过基础理论知识、应用实例的讲授和上机实习操作,使得学生了解应用计算机进行材料科学研究的具体过程,将计算机作为有力的工具应用于材料科学研究。
二、课程基本要求计算机应用,为材料科学专业提供了一种新的技术手段。
计算机在材料科学与工程中的应用
《计算机在材料科学与工程中的应用》论文玉天雪 材料科学与工程 21207061009计算机作为一种现代工具在材料科学与工程中的应用已越来越广泛，从而极大地促进和推动了材料科学与工程研究的深入和发展。
本书立足“材料科学与工程”一级学科，系统介绍了计算机在材料科学与工程中的应用，使读者初步掌握如何在材料科学与工程的学习及研究中更好地利用计算机这一工具。
本书的最大特点在于注重理论知识讲解的同时，结合计算机在材料科学与工程中的应用实例讲解来培养学生的实际动手能力和创新意识。
如今此门课程已经结课，作为这门课的重点是我们对Origin 软件的使用。
现在就以几幅图简单描述Origin 软件的使用。
我所作的三幅图是以我国2000至2005年人口总数为基本衍伸出人口之间的关系，主要介绍2000至2005年人口总数变化、2000年至2005年城镇人口与乡村人口之间的比较以及城镇人口增长率与乡村人口的下降率。
1、2000年至2005年人口总数变化126000127000128000129000130000131000年份我国人口总数变化此图的做法是打开Origin 软件，在默认的两列中第一列输入年份，第二列输入人口数，之后左击靠左一列拖至右边一列，右击鼠标右键，然后点击PLOT 之后选择Line+Symbol ，然后作出点线图，之后根据数据要求将图中的A 、B 等字母改为汉字，注意要将字体改为宋体才能将字母修改成汉字，之后双击坐标轴找到Title&Format ，然后选择上、右两个坐标轴，点击Show Axis&Tick 打上勾，然后将右侧的Major 和Minor 都选择到None 。
这样图形就封闭起来了。
此图即做出来了。
2、2000年至2005年城镇人口与乡村人口比较3000060000人数/万人年份此图的做法是首先将光标移到最初两列靠右的一列，之后右击鼠标点击insert，添加到总共五列，第一列是年份数据，第二列是城镇人口数据，第三列和第四列全部为零，第五列为乡村人口数据，首先将前三列作出点击Column作出城镇人口柱状图，之后双击击图左上角的1样式，点开图列选择x和另外两列作出乡镇人口柱状图，依次改变将A、B改为年份和人数，之后按照第一幅图的形式将坐标轴封闭起来，还有为了区别两个柱状图，选择其中的一个柱状图，双击此柱状图找到Pattern找到Patter然后选择其中的一个图样，这个图样需要区别于第一个柱状图图样，之后将上面表示各个柱状图图层的字母分别改成城镇人口和乡村人口字样即可。
计算机技术在材料科学中的应用
《计算机技术在材料科学中的应用》随着科学技术的不断发展，计算机技术在各个领域的应用也日益广泛，其中包括材料科学领域。
计算机技术的发展使得在材料科学研究中更加便捷和有效，为材料研发和设计提供了全新的途径和方法。
本文将通过全面的评估，探讨计算机技术在材料科学中的应用，帮助读者更深入地了解这一主题。
一、计算机模拟在材料科学中的应用1.原子层面的模拟计算机技术可以模拟原子层面的材料结构和性质，利用分子动力学模拟等方法，研究材料的结构、热力学性质、动力学行为等。
通过这些模拟可以更好地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供重要的参考。
2.材料表征与成像计算机技术可以实现对材料的表征与成像，通过原子力显微镜、透射电子显微镜等技术，对材料的微观结构和表面形貌进行模拟和重建，帮助科研人员更好地理解材料的特性和表现形态。
3.晶体结构预测通过计算机模拟的方法，可以对晶体结构进行预测和优化，提高新材料的研发效率，并且发现一些在实验中难以获得的新材料结构。
二、材料设计和优化中的计算机辅助方法1.材料数据库与大数据分析计算机技术可以建立和维护大规模的材料数据库，通过对大数据的分析和挖掘，挖掘一些潜在的新材料组成和性能规律，提高新材料的发现效率。
2.晶体工程与材料优化计算机辅助的晶体工程和材料优化方法，可以通过高通量计算和机器学习等技术，实现对材料性能和构造的优化，提高材料的性能和可靠性。
三、个人观点和总结从上述内容可见，计算机技术在材料科学中的应用已经成为材料科学研究的重要手段。
通过计算机技术的应用，我们可以更加深入地理解材料的微观结构和性能，为新材料的设计和研发提供全新的途径和方法。
然而，在材料科学研究中，计算机技术的应用也面临一些挑战，比如模拟精度、数据挖掘的准确性等方面需要进一步完善。
计算机技术的应用为材料科学研究带来了巨大的推动力，相信随着技术的不断进步，计算机技术在材料科学中的应用将会有更加广阔的发展前景。
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主要参考资料
1、计算机在材料科学与工程中的应用---杨明波 胡红军 唐丽文（化学工 业出版社,2008） 2、计算机在材料工程中的应用---汤爱涛 (重庆大学出版社,2008) 3、计算机在材料科学与工程中的应用--- 曾令可(武汉理工大学出版社,2004) 4、计算机在材料科学中的应用-----许鑫华（机械工业出版社,2003） 5、计算机在材料科学与工程中的应用-----刘兴江（东北大学出版社,2007 ） 6、计算机在材料科学中的应用-----李琼（电子科技出版社,2007）
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Thermo-Calc包括物质和溶液数据库、热力学 计算系统和热力学评估系统。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。
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 心等数种各类数据库。
材料是人类社会 发展的里程碑， 是人类生产和生 活水平提高的物 质基础，是现代 文明进步的重要 标志和发展高新 技术的基础和先 导。
石器时代
铜器时代
铁器时代
当代文明三大支柱（20世纪60年 代说法）：材料、能源和信息
新技术革命主要标志（ 20世纪 70年代说法）：新材料、信息技 术和生物技术
5
金属材料
1.3.7 计算机技术用于材料性能表征与检测
材料性能的测定大多使用专门的测试设备和仪 表。如果使用计算机来控制整个系统，使其协调运 行，进行数据采集和数据处理，通常使整个系统的 功能得到飞跃性增强。计算机化得材料性能测试系 统(CAT系统)是提高材料研究水平的重要手段。由 于计算机灵活的编程方式、强大的数据处理能力和 很高的运算速度，使得CAT系统可以实现手动方式 不能完成的许多测试工作，提高了材料试验研究的 水平和测试精度。
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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。
材料设计是指通过理论分析与计算预报新材料 的组分、结构与性能，或者是通过理论设计来“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。20世纪50年代开始；80年 代实现这一目标的条件趋于成熟；计算机技术是保 障、条件。
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。
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。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、计算机辅助研究、材料 加工过程的全面质量管理等。
首先采用计算机模拟技术和现代铸造理论，模拟铸件充型、温度 分布和凝固过程；
其次用三维X射线实时观察和监测浇注过程获得初步试验数据； 最后通过实际浇铸生产并与模拟、监测结果对比，确定最佳的生
产工艺。 通过这样三步，我们就实现了“可视化铸造”！
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计算机模拟
X射线实时观察
实际生产
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图中是一个大型钢锭的充型过程模拟，其中用到专业模拟软件view cast，从动 画中可以清楚的看到整个铸件充型过程。
Moore’s Law (1965)： 计算机的CPU速度 每24个月增加一倍。
18 (1975)
图中电脑处理器中晶体管数目的增长曲线符 合摩尔定律
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计算机在MSE的应用非常广泛: 材料科学是研究材料的组成与结构、
合成与制备、性能与应用以及它们之间相 互关系的一门科学,在所有的这些方面,计 算机都发挥了非常重要的作用。
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图中显示了计算 机模拟的不同时 刻的凝固枝晶形 貌图，不同的颜 色代表不同的浓 度分布。这样显 微组织形核、生 长等过程也将实 现“可视化”！
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三维等轴树枝晶形貌的模拟
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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。
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材料设计一般可分为三个层次（按照设计对象和 所涉及的空间尺寸可分）：微观设计层次，尺度约1nm 数量级，是电子、原子、分子层次的设计；介观设计 层次，尺度约为1µm数量级，材料被看作是连续介质、 是组织结构层次的设计；宏观设计层次。尺度对应于 宏观材料，涉及大块材料的成分、组织、性能和应用 的设计研究，是工程应用层次的设计。不同的结构层 次有不同理论和方法，不同层次之间常常相互交叉、 不同层次的目的、任务及应用也不尽相同。
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。
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TTT曲 线和CCT曲线为组织转变提供了两种不同的模 拟途径。
7、材料科学中计算机的应用-----乔宁（中国纺织出版社,2007） 8、计算机在材料科学与工程中的应用—张朝晖（中南大学应用概述 第二章 材料科学与工程中数据的计算机处理（原理、方法以及计算 机的实现） 第三章 材料数据库及专家系统 第四章 人工神经网络 第五章 材料研究中的数学模型及分析方法 第六章 电子显微技术在材料科学中的应用
有限元方法
网格划分
有限元模拟人脚走路受力情况
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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。
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包括材料的传热(温度场)、应力场(力学问 题)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”。
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。
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。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。
材
无机非金属材料 有机高分子材料
料
复合材料
的
结构材料 功能材料
分
建筑材料
类
能源材料
电子材料
耐火材料
医用材料
耐火材料
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1.1.2 MSE研究内容
研究材料组成、结构、性能、制备工艺和使用性能 以及它们之间相互关系的科学。（Next page）
美国国家研究院材料科学与工程委员会 《90年代的材料科学与工程：在材料时代保持竞争力》
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(photo shop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。
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电子显微镜
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金相显微镜
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X射线衍射仪
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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。
大家对铸造过程并不陌生，传统的铸造工艺是“睁眼造型，闭眼 浇注”。我们不禁要问“闭眼”操作能做好吗？没错，“眼见为 实”在铸造工艺设计中非常重要，而金属液一旦进入模具型腔之 后我们就无法看到其动态流动、温度分布以及凝固过程。所以工 程师们只能凭经验和想象来设计模具，这很令人头疼，那么如何 才能看到整个铸造过程，让其在我们面前变得“可视”，从而优 化铸造工艺呢？
材料科学与工程领域存在 四个要素（性质与现象、使用性能、结构与成分、合成
与加工） 两个关键（仪器设备和分析建模）
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四个要素
Performance 使用性能
Composition & Processing 成分与工艺
Properties 材料性能.
Structure 组织结构
Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989
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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。
有限元法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。