14
计算模拟技术已应用于材料行为工艺研究的 各个方面，包括材料组织结构的计算机模拟、 材料热处理计算机模拟、材料腐蚀与防护的 计算模拟、铸造过程计算机模拟、材料塑性 成形过程计算机模拟、材料焊接过程计算机 模拟等。
15
模拟的主要目的是将理论与实验工作直接结合起来。首先是建 立模型，这个模型要有一个可靠的理论基础，考虑世界的真实 性。基于理论的模型才能够预测实验行为，也才能够使实验者 根据现代理论解释实验结果。反过来，模拟进一步完善理论和 实验研究。也就是说模拟离不开理论和实验，它们相互影响、 相互促进。例如，可以通过模拟计算出一个传统的加工工艺为 什么会出现问题，然后结合理论知识改进工艺方案，最后通过 实际生产来验证改进的模拟结果，进一步也验证了所用模型、 理论的合理性。
计算机在材料科学与工程中的应用 Computer in MSE（Material Science and Engineering）
1
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,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）
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
6
材
金属材料 无机非金属材料
料
有机高分子材料 复合材料
的
结构材料
分
功能材料
类
建筑材料
能源材料
电子材料
耐火材料 医用材料
耐火材料
7
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。
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（中南大学出版社,2008）
2
目录
第一章 计算机在材料与工程中的应用概述 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 材料科学研究中数学模型的建立及数值求解 第四章 材料科学研究中主要物理场数值模拟 第五章 计算机辅助材料设计与模拟 第六章 材料数据库及专家系统 第七章 Internet与材料科学
Properties 材料性能.
Structure 组织结构
Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 19899
MSE特点：
多学科交叉的新兴科学。它与许多基础学 科有着不可分割的联系，如固体物理学、 电子学、光学、声学、量子化学、数学与 计算机等。
13
计算模拟技术是一种根据实际体系在计算机上进行 的模型试验，通过将模拟结果和实际体系的实验数 据进行比较，可以检验模型的正确性，也可以检验 由计算模型得到的解析理论所作的简化近似是否成 功。在模型体系上获得的相关信息一般比在实际体 系上通过实验得到的信息更多。在很多情况下，计 算机模拟可以部分地取代实验。另外，计算机模拟 对于理论的发展具有重要的支撑作用，它们为现实 模型和实验室中无法实现的探索模型提供了一种行 之有效的研究方法，如材料在超高压力和温度条件 下相变，材料在超高速冲击条件下的损伤与失效等， 都可以借助计算机模拟技术进行详细研究。
计算模拟架起了从微观到宏观，从基础研究到工程应用的桥梁。 小到原子分子，大到飞机航母等尺度的材料行为都能通过不同 的模拟方法进行计算模拟。甚至随着材料科学和计算机的发展， 能实现多尺度的耦合模拟，毋庸置疑，这大大扩宽了人类认识 的眼界。
一门发展不成熟的学科，它的研究很大程 度依赖于实验和经验的积累，系统的研究 材料还有一个很长的过程。
10
1.2 计算机在MSE中的应用
计算机硬件条件的飞速发展为计算机在材料科学中的广泛应用提供了 有力保证。
Moore定律 （1965）： 计算机的CPU速 度每1.5年增加 一倍。
11
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。
3
本课程在教学计划中的地位、作用和任务
本课程是一门专业基础课。 课程教学所要达到的目的：
了解计算机技术及网络技术在材料科学 研究中的应用；
初步掌握在材料科学研究领域中更好地 应用计算机的思路、方法和原理；
初步将计算机用于后续专业课程学习和 专业设计中去。
4
考核方式： 查阅一篇计算机在材料科学与工程中应用 的文献； 上机考试。
5
第1章 计算机在材料科学与工程中应用概述
1.1 材料科学与工程(MSE) 1.1.1 材料的作用与分类
材料是用 以制造有 用物件的 物质
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
12
1.2.1计算机模拟技术用于材料行为工艺研究
材料行为工艺的计算模拟是指利用计算机对真实的 系统进行模拟实验，提供材料在某种工艺条件下的 行为变化规律。如对材料相变、对材料成型过程、 对材料在冲击载荷下的计算机模拟等。采用计算机 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，了解材料的内部微观性质及其宏观 力学行为，并且在没有实际制备加工出这些新材料 之前就能预测它们的性能，为设计优异性能的新型 材料提供强有力的理论指导，同时可避免大量的实 验工作，提高材料研究的效率，降低工作强度，节 省研究经费。
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》 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）
8
四个要素
Performance 使用性能
Composition &
Processing 成分与工艺