计算机辅助材料设计与模拟

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1、5.1 材料设计概述 5.1.1 材料设计的定义、范围与层次,材料科学、 物理学、 化学、 生物科学、 数学、 工程科学,计算机软件、 硬件技术 材料软件,+,对材料科学与工程学科的基本要素及各要素之间的关系进行定量或半定量表征，在计算机上进行材料的成分和工艺设计，并预测其结构构与性能。这就是所谓的材料设计与模拟，也即计算材料学。,是除实验研究和理论研究之外解决材料科学与工程中实际问题的第三种重要研究方法。,作用 一方面使我们加深对材料科学与工程核心问题的理解； 另一方面，又促进材料科学与工程的研究开发向经济、高效和可预见性的方向发展。 研究层次 微观设计层次，空间尺度在约1 nm量级，是原子

2、、电子层次的设计； 连续模型层次，典型尺度在约1m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。,所涉及的计算模拟方法： 量子化学第一性原理计算(Quantum echanics，QM)、 分子动力学模拟 (Mdecular Dynamics，MD) 蒙特卡洛模拟(Monte Carlo，MC)、 相图计算技术(CALculation of PHAse Diagram，CALPHAD)、 相场模拟(Phase Field Method，PFM)、 有限元分析(Finite Element Method，

3、FEM) 概率断裂力学方法(Probabilistic Fracture Mechanics，PF ),第一性原理方法 只需要5个基本物理常数 (即电子质量me、 电子电量e、 普朗克常数h、 真空中光速c、 玻尔兹曼常数KB) 以及原子种类和原子在空间中的位置安排(即晶体结构)，而不需要其他经验参数，就可以非常精确地计算出体系的总能、微观结构与状态。目前，第一性原理方法应用于材料科学领域的研究非常活跃，发展异常迅速。,分子动力学方法根据粒子间的相互作用势，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。

4、对于以连续介质概念为基础的显微尺度模拟计算，主要以材料热力学、动力学，缺陷动力学和结构动力学等为研究内容，计算热力学与相图以及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的组成和显微结构后，就可以定量地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，有限元方法能有效地处理实际问题。这种方法一般与材料或零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。采用计算机模拟技术，计算液体合金快冷时的传热过程，有助于设计合理的设备和工艺

5、，从而保证产品质量。,两种设计思想 自下而上(BottomUp): 是由前一级时间空间尺度范畴计算所输出的结果，为下一级(较大)时间空间尺度范畴进行计算的输入。反之， 自上而下(TopDown): 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到前一级的结构与性质。 目前尚难以三个层次模拟相耦合,美国宾夕法尼亚州立大学华人学者刘梓葵教授等人提出一个多尺度材料设计集成框架,通过相图和热力学计算来建立多组元体系的热力学性质、点阵参数、弹性常数、界面 能和动力学性质数据库；,通过相场方法来模拟显微组织的演化过程和力学性质；,通过显微组织的有限元分析来研究其力学响应。,通过电子、原子尺度的第

6、一性原理计算来预测一元、二元和三元化合物和热力学性质、点阵参数、弹性常数、界面能和动力学性质等；,5.2.2 材料热力学、动力学和相图计算 相图的意义 实验法制作相图的困难 相图计算（CALPHAD）的意义 （实验上是少量实验+相图计算） 相场模拟方法(PFM)是一个以热力学和动力学基本原理为基础，用于模拟金属材料凝固过程中微结构演化和力学性质的有力工具。 相关知识,1. 组元（component） 组成材料最基本的、独立的物质 2. 相（phase） 是系统中物质结构、成分与性质均匀的部分。相与相之间由界面隔开。 （单质相、固溶体相和化合物） 相由以下三个因素决定的： 电负性 原子半径 电子

7、浓度,3相平衡、相图与相图计算 多相体系中，体系的性质不会自发地随时间而变化的状态称为相平衡状态。相图是相平衡的图解，描述处于热力学平衡状态的物质系统中材料相的状态、温度、压力及成分之间的关系，又称为平衡图、组成图或状态图。 相图计算(CALPHAD)技术的实质是相图与热化学的计算机耦合，它基于由热分析和显微组织分析等分析等关键实验以及第一性原理等理论计算方法所得到的有关体系中的各物相的晶体结构信息和热力学性质，建立适当的热力学模型，并运用热力学软件对热力学模型中的参数进行优化，得到相关体系的热力学数据库；在此基础上，进一步计算各种形式的相图和热力学函数。,计算技术主要由热力学模型、热力学软件

8、和热力学数据库三大部分组成。 相图计算技术的理论基础是相平衡。,标准自由焓 理想混合焓 过剩焓 物理性对焓的贡献,4相场模拟方法 相场模拟方法中，引入的相场变量(r,t) 一个有序参量，表示系统在空间时间上每位置的物理状态(液态或固态)。在液相区相场变量值为0，相反在固相区值为1，在固液界面区域内， 的值在01之间急剧变化。 相场理论是以金兹堡一朗道理论为基础，通过微分方程来反映扩散、有序化势及热力学驱动的综合作用。相场方程的解可以描述金属料的固液界面的状态、曲率以及界面的移动。把相场方程与温度场、溶质场、流动场等外场耦合，则可以比较真实地模拟金属的凝固过程，预测合金铸件的晶粒组织，进而预测铸

9、件力学性能。相场模拟方法已经被广泛应用于各种扩散和无扩散相变的微结构演化研究，如析出反应、铁电相变、马氏体相变、应力相变、结构缺陷相变等。,5.2.3基于概率断裂力学的可靠性评价 可靠性评价，也称寿命评价或寿命预测，对于实现新材料的工程应用，工程结构设计和系统维护等具有非常重要的意义。 影响材料寿命的因素： 金属工程构件在铸造、一锻造、焊接、热处理及机械加工过程中往往不可避免地存在着一些气孔、疏松、夹杂和偏析等冶金缺馅； 高温用结构陶瓷在烧成和后续加工过程中也不可避免会出现气孔、夹杂等缺陷； 工件表面或内部均可能存在裂纹； 工件在运输和保管环节中，表面还可能出现划痕或划伤。,断裂失效 例如 国

10、内外电站燃气轮机转子的多起飞裂事故中，多半是由于燃气轮机转子中的冶金缺陷引起的; 在管道工程和压力容器中，裂纹类缺陷的扩展与失稳导致的断裂是主要失效形式; 在航空航天飞行器中，关键部件的断裂失效也是影响飞行器安全的主要因素之一。,重要的工程构件无论是在材料的选择与结构的设计阶段，还是在服役期间，都要考虑材料缺陷对可靠性的影响，即要考虑它们在首次投人使用时发生一次脆断的可能性，又要考虑它们作为裂纹源在蠕变和疲劳应力等的作用下，裂纹扩展导致断裂的可能性。,对于工程材料和结构件的寿命评价，国内外的评定规范均以断裂力学为基础。 评价方法通常有两种，即确定性评定方法和可靠性评定方法： 确定性评定方法在工

11、程应用时由于没有考虑评定参数在实际中的不确定因素，往往使得评定结果在参数分散程度小时偏于保守，在参数分散程度大时又偏于危险; 可靠性评定方法则考虑了评定参数客观存在的不确定性，评定结果比较合理，具有较高的应用价值。工程实践中，尽管缺陷的大小、材料性能参数以及载荷都不是确定值，但研究表明这些评定参数符合一定的分布规律，可以用可靠性理论缓解评定参数不确定性的矛盾，定量得到工程结构件的可靠度。基于概率断裂力学理论的可靠性评定方法已经开始用于压力容器、燃气轮机转子和管道的材质选择、结构设计和系统维护等工业实践。,可靠性评定，首先要明确各随机变量的分布特征。 统计资料表明： 材料的大多数机械性能的分布可

12、以用对数正态分布或正态分布进行近似描述； 影响断裂韧性的因素较多，用含二参数的威布尔分布描述最佳，正态分布偏于保守； 管道在正常工况下的压力和温度都是波动的，一般服从正态分布、对数正态分布或威布尔分布 含缺陷的管道的截面应力是由管系的内压、温度和各种约束等多种因素的作用而产生的。,工程结构件的失效概率通常用下列积分方程式表示: 式中:表示模型中由所有随机变量组成的矢量; g（）是性能函数; h ()是变量的概率分布函数； lF()表示系统失效的指标因子函数; Dn表示积分失效域。一般难以用解析法求解上述失效概率的积分，必须采用数值法进行积分，这是结构可靠性分析软件包开发的核心和难点工作。 工程

13、实际应用一般比较复杂，多维性能函数g（）通常并不是显式给出，对于几何形状和载荷比较复杂的工程结构件，通常采用有限元分析软件包对有关的应力场、温度场和电磁场等进行分析。,5.3 材料设计软件 5.3.1 量子化学第一性原理计算软件 5.3.2 材料热力学和相图计算软件,Thermo-Calc http:/thermocalc.se,Pandat ,The top level module dependencies for PANDAT (from 2008Cao ）,Software architecture of PANDAT (from 2008Cao ）,Gibbs energy vs.

14、molar fraction diagram for and phases in a binary system. Among the three two-phases equilibria, only 1+ is the stable one (from 2002Che).,An isothermal section with multiple miscibility gaps (from 2007Che),Dialog window of Calculate Section (2D).,Calculated Nb-Ti-Si isothermal section with tie-line

15、s,Create a graph from the user-defined Table through Create Graph.,Pandat 8 Demo Setup File Pandat 8 Demo is available now! The demonstration version has the major functions in full version of Pandat 8 but is restricted to binary systems and a built-in database for Al-Cu-Mg-Si.,FactSage:,选择=结果,汇报结束 谢谢观看！ 欢迎提出您的宝贵意见！,