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1、材料加工过程的数值模拟 微观组织数值模拟(I) 任课教师: 王锦程 Office：公字楼216 Tel ：029-88460650(O) Email ： jchwang 材料加工过程的数值模拟 宏观模拟(Macro-)微观模拟(Micro-) 加工过程(Processing) 组织演化(Microstructure) 温 度 场 应 力 场 流 场 浓 度 场 形 态 应力-应 变方程 动量方程 连续性方程 扩散方 程 ？ 热传导 方程 ? ？ Grain/crystal Inter-grain slip Grain boundary Twins precipitates Atoms Meso
2、（介观） Micro（微观）Nano（纳观） Macro(宏观) Different Scales Macroscopic-scaleMacroscopic-scale ( (mmm cm, m)m cm, m) Solidification Grain structures CET Porosity, Macrosegregatio n Shrinkage Cavity Mesoscopic-scaleMesoscopic-scale ( ( m cm)m cm) Grain structures, CET Dendrite morphology, SDAS Eutectic, Perite
3、ctic Microsegregation, Microporosity Microscopic-scaleMicroscopic-scale ( (nm nm mm) ) Dendritic growth morphology Transition/ plane-cellular- dendritic Eutectic, Peritectic Nanoscopic-scaleNanoscopic-scale ( ( nm)nm) Nucleation (Clustering) S/L interface morphology Atomic attachment Dislocation mov
4、ement 宏观介观微观纳观 CA ModelsCA Models MMonte Carloonte Carlo Level setLevel set MMethodethod Standard Transport Molecular DynamicsMolecular Dynamics Atomistic SimulationAtomistic Simulation FirstFirst PrinciplePrinciple Phase Field ModelsPhase Field Models l 基础知识（2） 计算材料学简介 微观组织数值模拟简介 相变理论基础 热力学基础 课程安排
5、时间：1519周，周六上午34节，周日上午34节 l 相场法（4） 相场法基本原理及其应用 沉淀相析出 再结晶过程 凝固过程 l 元胞自动机（2） 基本原理 模型 应用 l 水平集法 基本原理 模型 应用 主要参考书 1.Dierk Raabe ，Computational Materials Science 2.Nikolas Provatas and Ken Elder, Phase-Field Methods in Material Science and Engineering 3.相关最新参考文献 pWhat is microstructure? pMicrostructure is
6、 beautiful. pMicrostructure is amazing. pMicrostructure is important. pWhy modeling and simulation? Outlines pMicrostructure is defined as the structure of a prepared surface or thin foil of material as revealed by a microscope above 25X magnification . -From Wikipedia A micrograph of bronze reveali
7、ng a cast dendritic structure What is microstructure? This is an optical interference contrast micrograph that was taken with a Leica MEF 4A microscope equipped with a Sony DKC 5000 Camera Microstructure is Beautiful. Zinc oxide single crystals Granulated Sugar白砂糖 一种酪酸盐 日本-秋山実（Minoru Akiyama）摄影家 Mic
8、rostructure is Beautiful. 酒石酸结晶陨石（Fe-Ni合金） Microstructure is Beautiful. Thymol 一种酚 碳化硅 Microstructure is Beautiful. 硅铁结晶硅 Microstructure is Beautiful. 铸铁Gallium镓 Microstructure is Beautiful. 液晶材料 金刚石 Microstructure is Beautiful. Nonlinear dynamics of sand ripple formation Microstructure is Amazing.
9、Eutectic structures 沙丘vs.共晶 雪花vs.枝晶 Microstructure is Amazing. STM 5-fold surface of i-Al-Pd-Mn Microstructure is Amazing. 云南元阳梯田 梯田vs.台阶组织 Microstructure is Amazing. 斑纹vs.条带、点状组织 螺形位错 引力和转动的共同影响下 形成星系的螺旋结构 Microstructure is Amazing. 星云vs.位错 Microstructure is Amazing. Morphological Similarity Connec
10、tions ？ ？ 各 种 形 态 的 枝 晶 组 织 成分-工艺-组织-性能 性能是目的，成分是基础 ，组织是形态，工艺是手 段 The Materials Tetrahedron M C Flemings improve our understanding of the physics of materials processing alloy design; improvements in current technologies; development of new processes. 实验实验分析模型分析模型数值模拟数值模拟 微观组织微观组织 材料性能材料性能 具体信息 可视化
11、低成本 成分成分 工艺工艺 计算材料学概述 计算机技术的快速发展 计算材料学简介 材料模拟中的多尺度 材料模拟中的主要方法 计算科学 应用科学 计算机 硬/软件 数学 什么是计算科学？ Moore定律（1965）：计算机的CPU速度每1.5年增加一倍 “科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类 认识与征服自然的第三种科学方法”。 计算机软硬件条件的飞速发展为科学计算的广泛应用提供了有力保证。 2048颗我国自主研发的飞腾 FT-1000八核心处理器 14336颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心处理器 7168块NVIDIA Tesla M2050 高性能计算卡 “天河
12、一号A”峰值运算速度为 每秒万亿次。实测 运算速度每秒2570万亿次。 6144个通用处理器（3072x2 Intel Quad Core Xeon E5540 2.53GHz/E5540 3.0GHz）； 5120个加速处理器（2560 ATI Radeon 4870x2 575MHz） 内存总容量98TB ； 点点通信带宽40Gbps ； 共享磁盘总容量为1PB 计算材料学概述 计算机技术的快速发展 计算材料学简介 材料模拟中的多尺度 材料模拟中的主要方法 计算第三种科学手段 计算填补理论分析与实验之间的空白 计算使得人们能够深入研究一大批从科学理论分 析角度看过于复杂、过于困难，而从科学
13、实验角 度看又过于昂贵、过于危险，甚至是无法进行的 探索问题 计算已成为理论与实验相互补充的第三种手段,已 成为人们认识世界的第三只眼睛 计算科学至今尚未具备象理论、实验与工程设计 那些传统方式可预测的可靠性 任何计算模型只是客观真实事物的一个近似 Advantage Disadvantage It has always been a dream of materials researchers to design a new material completely on paper, optimizing the composition and processing steps in ord
14、er to achieve the properties required for a given application. Gerbrand Ceder, “COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE: Predicting Properties from Scratch”, Science, Vol 280, Issue 5366, 1099-1100, 15 May 1998 经验型（炒菜式）智能型（材料设计） 计算材料科学（Computational Materials Science)（欧洲 ） 计算机分析与模拟（Computer-based Analysis a
15、nd Modeling)（美国） 材料设计（Materials Design）（日本） Computational Materials Science（Elsevier Science公司 ） 1994年创刊 Modeling and Simulation in Materials Science and Engineering（英国皇家学会）,1992年创刊 Journal of Computer-Aided Materials Design (Kluwer公司 ）1997年创刊 p计算材料学是近年里飞速发展的一门新兴交叉学 科。它综合了凝聚态物理、材料物理学、理论化 学、材料力学、工程力学
16、、应用数学、计算机算 法等多个相关学科。本学科的目的是利用现代高 速计算机，模拟材料的各种物理化学性质，深入 理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特 征，并对于材料的结构和物性进行理论预言，从 而达到设计新材料的目的。 计算材料学概述 计算机技术的快速发展 计算材料学简介 材料模拟中的多尺度 材料模拟中的主要方法 Multiscale Modelling & SimulationsMultiscale Modelling & Simulations 10-910-610-3100 Length Scale, m 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 100 103 Time, s Atomistic Dislocations
