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金属材料学(11)计算材料学2006.9.1
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金属材料学
西北工业大学
材料学院
本科生学位课
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生物
人高 針頭 紅血球 分子及DNA 氫原子 100萬奈 米 1千奈米 1奈米 0.1奈米 20億奈米
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基本粒子 原子核 原子 最小 的细胞 DNA长度 人
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美国国家科学研究委员会报告
专门报告指出，由于理论和计算能力的进步 ，已经可能实现从理论上预测新材料。 同时，计算机能力将由于并行化而提高2-3 个数量级，对于材料科学中的理论与计算将 带来新的机遇。
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谢
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材料设计的展望
(4)材料研究和制备的许多复杂的物理、化学过程 需要用计算机进行模拟和计算，提供实验难以得 到的信息。 (5)原子、分子为起始物的材料合成和在微观尺度 上控制结构，是现代先进材料的重要发展方向， 材料微观设计不可缺少。
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陈铮
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金属材料学
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美国NRC 指出的9个机遇
计算材料学课程简介和教学大纲
4
编程，上机
4
分子动力学方法的软、硬球模型（讲授）
5
分子动力学计算方法在材料科学中的应用（讲授）
5
量子力学基础知识（讲授）
6
分子的结合能及其计算（讲授）
6
物质的能带结构及其计算（讲授）
7
编程，上机
7
多电子体系的电子态、密度泛函概要（讲授）
8
编程作业讲评（讲授与互动）
8
总复习、答疑（讲授与互动）
备注 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时 3 学时
的问题。
AM
1 M
M i1
A(Xi )
求解该问题首先需要建立系统分子运动方程，然后通过直接对系统中的每个分子运动
方程进行数值求解，得到每个时刻各个分子的坐标与动量随时间的迁移，即在相空间的运动 轨迹，再利用统计的方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到系统的宏观性质。
本次课程主要讲述求解分子动力学运动方程的方法，如：Verlet 法、蛙跃法和 Gear 方法（预纠法） 等。
期末开卷考试：80％。 四、教学安排
每周 6 学时，共 8 周（其中安排编程、上机调试 6 学时）。 （一）主要内容：
第一章 微分方程的常用数值计算方法(6 学时) 1.1 差分格式 1.2 线性方程组的数值计算方法 1.3 MATLAB 语言基础
第二章 蒙特卡罗方法（6 学时） 2.1 蒙特卡罗方法基础知识 2.2 蒙特卡罗方法在材料科学中的应用
simulation on materials science are illustrated.
计算材料学简介
Born-Oppenheimer Approximation
波恩-奥本海默近似
电子与核运动分离
2 H i 2m i
2
i, p
Z pe rip
2
i, j
e rij
2
1. Kinetic energy of Electrons 2. Attraction of electrons to nuclei 3. Repulsion between electrons
结果 用笔和纸计算 分析方法 计算机编程 数值方法
原子分子层次的数学描述
材料问题
计算材料学有什么用途？
Confirming, interpreting and rationalizing experimental results Predicting materials properties and future experimental results
Computations are cheaper and often faster
1943年世界第一台计算机ENIAC The ENIAC filled an entire room, weighed thirty tons, and consumed two hundred kilowatts of power.
chemistry into a new era where experiment and
theory can work together in the exploration of
量子化学从二十世纪30年代初的理论奠 基到90年代末在计算技术与应用上的成熟， 经历了漫长的将近七十年 这是几代杰出物理学家和化学家不懈努 力的结果，并得益与计算机和计算技术的巨 大进步
XRD图谱的分析与计算 MDI JADE 中文使用手册 pdf带书签
设置文本文件格式
设置文本文件格式
文本格式的图谱文件总是受到人们的欢迎，而使用上可能被某个小问题卡住了，因此，这里 举一个实例介绍。 如果你的文本格式设置不对，可能的情况有两种： 一是根本不能读入，显示一个错误提示：
第一种情况是读入的角度不对。 对于后一种情况是特别要注意的，因为各人使用的 JADE 设置不同，可能导致结果完全不同。 实际上，JADE 所需要的只是两个数据，一是角度，二是强度，因此，这里介绍最简单的办 法： 下面分三种情况以实例说明设置方法： A 最简单的设置 选择菜单 File-Save-Setup Ascii Export……命令，打开下面的对话框数：据 点 开 始 行
黄继武 2006 年 7 月 8 日于中南大学
E0731-8836426 QQ：406089079
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进入Jade .................................................................................................................1 读入文件.................................................................................................................2 设置文本文件格式.................................................................................................4 基本功能操作.........................................................................................................9 基本显示操作.......................................................................................................14 PDF卡片索引的建立 ...........................................................................................15 物相检索...............................................................................................................16 PDF卡片查找 .......................................................................................................20 寻峰.......................................................................................................................22 RIR方法计算物相质量分数 ................................................................................ 24 计算结晶化度.......................................................................................................26 打印预览...............................................................................................................28 图谱拟合...............................................................................................................29 制作仪器半高宽补正曲线...................................................................................31 计算晶粒大小及微观应变...................................................................................33 角度补正曲线的制作...........................................................................................36 计算点阵常数.......................................................................................................37 计算已知结构的衍射谱.......................................................................................39 计算残余应力.......................................................................................................40 多谱显示...............................................................................................................44 多谱拟合...............................................................................................................46 计算RIR ................................................................................................................ 49
计算材料学尉渊
计算材料学尉渊材料学是研究材料的结构、性能、制备和应用的学科。
它是现代科学的一门重要学科，涉及到材料的物理、化学、工程学等多个领域。
材料学的发展不仅对科学研究有着重要意义，也对人类社会的进步和发展起着至关重要的作用。
材料学的研究内容涉及到多种材料，包括金属、陶瓷、高分子、复合材料等，以及它们在各个领域的应用。
通过对材料的研究和分析，可以揭示材料的结构、性能和制备过程，从而为材料的设计和应用提供科学依据。
首先，材料学的研究主要关注材料的结构。
材料的结构决定了它的性能，因此对材料的结构的了解是非常重要的。
材料学家通过利用各种材料表征技术，如X射线衍射、透射电子显微镜等，分析材料的晶体结构、晶粒尺寸、组织形貌等参数，从而揭示材料的内在结构特征。
其次，材料学的研究还关注材料的性能。
材料的性能是指材料在特定使用条件下的表现。
不同材料的性能差异很大，有些材料具有优良的导电性，适合用于电子器件的制造；有些材料具有高强度和良好的耐腐蚀性，适合用于航空航天领域等。
材料学家通过对材料性能的研究，可以为材料的改良和应用提供指导。
另外，材料学的研究还关注材料的制备方法和工艺。
不同的材料制备方法，会对材料的结构和性能产生重要影响。
因此，研究材料的制备工艺是非常重要的。
材料学家通过研究和改进传统的制备方法，如溶液法、热处理等，以及开发新的制备方法，如激光熔覆、电化学沉积等，实现对材料制备过程的控制和优化。
最后，材料学的研究还关注材料的应用。
材料学家在研究材料的基础上，将其应用于各个领域。
在航空航天、能源、电子器件等领域，材料的性能和稳定性要求很高，因此需要研究开发新材料，以满足实际应用的需求。
材料学为各个领域的技术进步和创新提供了重要的支撑。
综上所述，材料学是一门综合性的学科，它研究材料的结构、性能和制备方法，以及材料在各个领域中的应用。
材料学的发展对推动科学研究和人类社会的进步起着不可或缺的作用。
随着科技的发展和人们对新材料需求的增加，材料学将继续发展壮大。
计算材料学
分子动力学理论及其模拟方法摘要:本文阐述了分子动力学的基本理论以及分子动力学模拟的方法,清楚地解释了从头计算理论、自洽场理论，然后对一些基本概念比如力场、牛顿运动方程及其数值解法、系综、周期性边界条件、积分步长作了一些阐述。
分析和总结了分子动力学模拟的基本步骤,并且在材料科中的应用情况进行了简要概述。
接着对分子动力学模拟的发展及应用前景作了一些论述关键词:分子动力学；模拟；从头计算；自洽场；牛顿动力学正文：分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。
分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系综中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。
分子动力学模拟(moleculardynamics simulation , MD) [1]是在评估和预测材料结构和性质方面模拟原子和分子的一种物质微观领域的重要模拟方法,通过计算机对原子核和电子所构成的多体体系中的微观粒子之间相互作用和运动进行模拟,在此期间把每一原子核视为在全部其他的原子核和电子所构成的经验势场的作用下按照牛顿定律进行运动,进而得到体系中粒子的运动轨迹,再按照统计物理的方法计算得出物质的结构和性质等宏观性能。
简而言之即是应用力场及根据牛顿运动力学原理所发展的一种计算机模拟方法。
分子动力学模拟是一种非常有效的计算机技术已成为重要的科学研究的方法之一。
1分子动力学的基本理论1.1从头计算理论原则上讲，有了HFR方程（不论是RHF方程或是UHF方程）,就可以计算任何多原子体系的电子结构和性质。
真正严格的计算称之为从头计算法。
RHF方程的极限能量与非相对论薛定谔方程的严格解之差称为相关能。
对于某些目的,还需要考虑体系的相关能。
UHF方程考虑了相关能的一小部分，更精密的作法则须取多斯莱特行列式的线性组合形式的波函数，由变分法求得这些斯莱特行列式的组合系数。
材料表征教学资料 pfm cafm
d33
-d33
6
压电力显微 (piezoelectric force microscopy)
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
lateral PFM: shear displacement
V = Vdc +Vac coswt
畴控制整理测课件量
12
压电力显微 (piezoelectric force microscopy)
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
spectroscopic: step-bias testing 整理课件spectroscopic: pulse-biased testing 8
压电力显微 (piezoelectric force microscopy)
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
偏压与测量
spectroscopic: step or pulse?
A cosj
=- K klever
¶C ¶z
《计算材料学》课程教学大纲
课程性质 (Course Type)
授课语言 (Language of Instruction) *开课院系 （School）
先修课程 （Prerequisite）
授课教师 （Teacher）
必修
双语
材料科学与工程学院
材料科学基础，材料热力学，统计物理，固体物理
金朝晖，张澜庭，顾剑锋，韩 先洪，刘晓晖，孙锋
课程教学大纲（course syllabus）
*课程目标 (Learning Outcomes)
1．掌握物理、化学的基础理论知识，能将相关知识和数学模型方法用于专业工程问题解决
方案的比较与综合（支持毕业要求 2.4，5.1）
2．掌握从事材料类工程工作所必须的专业基础知识 （支持毕业要求 2.4，5.1）
的典型应用 掌握基于机器学 习方法进行材料 性能预测的软件 使用
随堂测试
实验报告 评估
*考核方式 (Grading)
（成绩构成）实验报告 50% + 随堂测试 50%
*教材或参考资 料
(Textbooks & Other Materials)
教学参考资料： （1）《分子模拟—从算法到应用》，Frenkel & Smit 著，汪文川译，化学工业出版社 （2）《计算材料学》，D. Raabe 著，项金钟、吴兴惠译，化学工业出版社 （3）《有限元法基础》，李人宪著，国防工业出版社 （4）Surya R. Kalidindi, Chapter 1 Materials, Data and Informatics, in Hierarchical Materials Informatics: Novel Analytics for Materials Data, Butterworth-Heinemann 2015, ISBN: 978-0-12410394-8, pp.1-32
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计算材料学
分子动力学上机实验教程（2014.04）
课时安排、重要通知、更新、软件下载请见：
上机实验相关软件分类介绍
分子动力学：LAMMPS --- 附录1
操作系统：CentOS（linux）--- 附录2
可视化：Atomeye --- 附录3（课堂使用），OVITO --- 附录4（推荐课下使用）
画图：Gnuplot --- 附录5
文本编辑：Gedit：Linux，GNOME桌面环境下兼容UTF-8的文本编辑器。
它使用GTK+编写而成，简单易用，支持包括gb2312、gbk在内的多种字符编码。
远程登录和文件传输：sftp（Xmanager）
附录1.
LAMMPS介绍：
LAMMPS-Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator, 大规模原子分子并行模拟器。
美国Sandia 国家实验室开发，开放源代码且可以免费获取使用，使用者可以根据自己需要自行修改源代码。
LAMMPS可以支持包括气态，液态或者固态相形态下、各种系综下、百万级的原子分子体系，并提供支持多种势函数。
且LAMMPS有良好的并行扩展性。
材料领域，LAMMPS已经是准标准化的分子动力学软件。
LAMMPS官网：/
使用LAMMPS:
(1)输入一般至少包括两个：
(a)input文件: LAMMPS命令集成在该文本中，可以包括MD相关的模型结构，弛豫条件，加载方式，输出
内容等绝大多数信息。
具体每一行语句在官网上有详细的解释。
我们学习的一项主要内容是理解和改写input文件。
(b)势函数文件：将势函数的参数等信息独立出来，写成单独的一个文件，在input文件内调入使用。
(2)运行软件：
保证当前目录下写好了input文件和势函数文件，终端上输入命令（串行）:
(3)输出一般有三个部分：（所有输出都与input文件与输出相关的指令相关）
(a)直接输出在屏幕上，一些程序运行的关键信息直接出现输出屏幕上，一般是整个体系的信息。
这些内容默
认保存在mmps文件里，我们称为log文件。
(b)输出记录每个原子信息的文件，有多种形式，我们的到的x.cfg文件是可以被可可视化软件Atomeye直接
读取的。
也可以用gedit直接打开，可以看到每一行记录一个原子的信息，比如坐标，速度，动能，势能等。
(c)其它按照input文件中的指令计算并输出的文件或者是对log文件中的内容处理提取得到的文件。
同样可
以用gedit打开，我们可以对其进行后续的分析，计算，画图等处理。
Input脚本语法介绍：
（LAMMPS版本更新非常快，这里只是对本课程所需的命令及其它部分常用命令的介绍，关注LAMMPS官网/，是学习LAMMPS最有效的方法！）
以下□表示空格,红色表示可更改的参数
2.几种常见的建模建立及其它处理：
（1）：构建晶体
8.输出的相关指令
附录2.
Linux操作系统介绍：
Linux是一种自由和开放源码的类Unix操作系统，存在着许多不同的Linux版本，但它们都使用了Linux内核。
Linux可安装在各种计算机硬件设备中，比如手机、平板电脑、路由器、视频游戏控制台、台式计算机、大型机和超级计算机。
Linux是一个领先的操作系统，世界上运算最快的10台超级计算机运行的都是Linux操作系统。
附录3.
Atomeye介绍：
可视化软件Atomeye是一款小巧，功能强大的可视化软件，由麻省理工学院（MIT）教授李巨博士早年间编写开发，官网：/Archive/Graphics/A/
附录4.
OVITO介绍：
OVITO是一款由德国达姆施塔特科技大学（Darmstadt University of Technology）的Alexander Stukowski博士开发的针对分子模拟数据进行科学可视化和分析的软件。
该程序是开源的，并支持所有的主流平台。
关于OVITO的文献是2010发表在Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering杂质上的Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO–the Open Visualization Tool，18 (2010) 015012。
OVITO的官方网站是/，在官网上可以查看OVITO的使用手册，下载地址/index.php/download2。
相比于Atomeye，OVITO更好的支持Windows平台，极易安装。
使用体验方面它更直观，易上手，不需要记住大量命令，可以用鼠标实现大多数操作，更偏向于商业软件。
推荐大家课下，在windows平台上，自行下载和使用。
附录5.
Gnuplot介绍：
gnuplot是一款命令行的交互式绘图工具，通过命令实现逐步设置，修改绘图环境，拟合函数等进一步分析。
分子动力学实验报告
（2013 至2014 学年第_2_学期）
班级姓名学号
实验名称成绩
一、实验目的
二、实验原理
（实验中用到的理论基础、模拟计算的方法等）
三、实验过程
（实验中具体的操作步骤,包括所用到的各项命令，实验数据的记录，过程中发现的问题等）
四、结果与分析
（分析实验中看到的现象，进行必要的数据分析，得出实验的结论）
五、实验结论
（六、本实验对认知材料计算模拟有哪些帮助？）。