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1、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、
2、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
3、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。2. 3材料与工艺过程的优化及自动控制材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展,微机和可编程控制器
4、( PLC)在材料加工过程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材料加工过程中利用计算机技术不仅能减轻劳动强度,更能改善产品的质量和精度,提高产量。用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制。例如在计算机对工艺过程的数学模型进行模拟的基础上,可以用计算机对渗碳渗氮全过程进行控制。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。控制技术也由最初的简单顺序控制发展到数学模型在线控制和统计过程控制,由分散的个别控制发展到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。2
5、. 4计算机用于数据和图像处理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。194 计算机与数字工程第35卷3 收到本文时间: 2006年9月21日作者简介:李伟,女,主讲教师。材料的性能与其凝聚态结构有密不可分的关系,其研究手段之一就是光学显微镜和电子显微镜技术,这些技术以二维图像方式表述材料的凝聚态结构。利用计算机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。3计算机的具体应用3. 1
6、液态金属成形的计算机模拟(1)液态金属充型过程的计算机数值模拟金属液充型过程数值模拟的研究中多数采用SO - LA - VOF ( Solution Algorithm) 法为基础,引入体积函数处理自由表面,并在传热计算和流量修正等方面进行研究改进。有的研究在对层流模型进行大量试验验证之后,用K - 双方程模型模拟充型过程的紊流现象 4 , 5 。到目前为止,虽然已研究了许多算法,如:并行算法、三维有限单元法、三维有限差分法、数值方法与解析方法混合的算法等,但尚没有最好的算法,各种算法各有优劣,应用的侧重点不同。(2)凝固过程的数值模拟通过铸件凝固过程数值模拟的计算,确定铸件内温度场,可以画出
7、铸件在任意断面上的等温线分布,凝固前沿进程,以及等时线分布,或者以动态的方式显示铸件在三维方向上的凝固进程,以确定最后凝固的部位和分析产生缩孔、缩松缺陷的位置和大小 6 , 7 。目前,缩孔、缩松定量预测的方法已经在铸造厂得以应用,并取得了良好的经济效益。(3)应力场的数值模拟凝固成形过程应力场的模拟计算能够帮助预测和分析铸件的裂纹、变形及残余应力,为控制由应力应变造成的缺陷、优化铸造工艺、提高铸件尺寸精度及稳定性提供科学依据。(4)凝固组织形成过程的数值模拟凝固过程组织数值模拟的主要模型有蒙特卡洛模型(Monte Carlo) 、相场模型和基于界面稳定性理论的晶体生长模型。蒙特卡洛模型缺少物
8、理背景,不能定量地分析各种物理因素和工艺因素对凝固组织的影响,当前使用较少;相场模型能清晰地模拟出枝晶生长、粗化过程,模拟出凝固组织的细节,但相场模型需要较大的计算机内存、较快的计算速度,随着计算机的发展,将来相场模型可能成为模拟凝固组织的主要方法;基于界面稳定性理论的晶体生长模型近年来已经有了较大的发展,是当前模拟凝固组织使用较多的模型,但这一模型尚不完善,有待于进一步研究 8 , 9 。微观结构模拟经过十多年的研究,在结晶形核、晶粒生长、碰撞以及液体中的溶质再分配等各方面都有了很大进步。目前,已研究出现了许多实用化的液态成形工艺模拟软件,见表1 。表1世界上主要液态成形模拟软件及应用3.
9、2热处理计算机模拟技术的应用热处理计算机模拟是有赖于计算传热学、相变动力学、热弹性力学、数值计算等学科的发展,不仅为热处理计算机模拟的研究与应用提供了坚实基础,还第35卷(2007)第5期计算机与数字工程195促进了热处理模拟技术的迅速发展,在淬透性控制、感应加热、真空加热、气氛控制、炉温控制、相变动力学曲线计算等方面已取得了成果。目前,热处理模拟技术的应用正日益广泛,受到人们的重视。在计算机模拟钢的淬火方面,近年来采用数值计算处理钢的淬火硬化,并建立了热弹性模型。对温度控制、相变及残余应力等建立了以计算机为基础的模型,从而实现了优化淬火硬化过程。在定值气体渗碳过程中,已建立离子渗碳数学模型,
10、通过计算机模拟使数字模型编入卫星计算机内存中,输入数据进行计算,可以获得与实际相吻合的碳浓度分布曲线。除此之外,控制渗氮的数学模型也已建立起来,使模拟技术的应用更加广泛。在感应加热和真空加热控制方面,也全面地模拟了整个系统的工艺参数。整个工艺过程由计算机按照工艺参数准确地进行控制,消除人为误差,提高了产品质量。热处理计算机模拟技术还应用在计算碳素共析钢AP转变的动力学曲线上,采用了差热分析法和模拟技术相结合的方法,建立了DTA曲线和转变动力学曲线之间转换的数学模型,计算出钢A P等温转变动力学曲线。热处理技术实现了利用流体力学计算流态床的模拟、燃器和燃烧过程的模拟以及真空气淬过程的模拟等研究。
11、3. 3塑性成形的计算机模拟塑性成形过程的计算机模拟是在计算机上对金属塑性成形过程进行实时跟踪描述,并通过计算机图形系统演示整个过程的技术。其目的在于通过建立分析模型对金属的变形、应力、应变和组织等进行仿真,实现对工艺过程、毛坯形状以及模具结构的优化。可缩短研发周期,提高产品质量,延长模具寿命,降低生产成本。在国外,塑性成形数值模拟已成为某些大型企业新产品开发链条中不可缺少的一环,同时数值模拟对优化已有产品的生产工艺同样具有重要意义。塑性成形数值模拟最初的研究工作多集中在大学和研究机构,主要使用二维的模拟软件,近年来随着计算机技术的飞速发展和数学算法上的改进,三维模拟技术已日臻成熟,并开始在工
12、业界得到推广应用,用来解决复杂锻件的成形问题。过去该方面研究主要集中于成形过程模拟和工艺缺陷的预报,目前逐渐集中于宏观变形与微观变形的结合,例如模拟塑性加工过程中的晶粒演变、织构变化、相变及第二相析出等微观结构变化。数值模拟在塑性成形工业中已取得成功的领域有:制订锻造工艺、模具应力分析、锻造工艺缺陷分析、特别是大型锻件的工艺制定等方面。现有模拟分析塑性成形的方法有切块法、滑移线法、上限法、有限元法和边界元法等,其中以有限元法特别是刚性有限元法应用最为广泛。已商用的模拟软件有体积塑性成型模拟软件: DEFORM、AU TO2FORGE、SUPERFORGE;板料塑性成型模拟软件: DYNA3D、
13、PAM2STAMP、ANSYS等。图1塑性成形过程计算机模拟流程3. 4连接成形的计算机模拟连接成形的计算机模拟主要指对焊接工艺过程的计算机模拟。目前研究的领域包括焊接热过程、焊接冶金过程、焊接热应力、残余应力和变形的模拟。焊接冶金过程的计算机模拟包括对焊缝金属的结晶过程、焊缝和热影响区组织的估计、最佳焊接条件的选择等的模拟,是目前在焊接中计算机模拟的最重要的课题。目前,常用的焊接显微组织模拟的方法主要有四种:经验法、统计法、组织形成的直接模拟法及内部状态变量法 10 12 。组织形成的直接模拟法是通过直接模拟焊缝中晶粒的形核和长大来模拟组织,如蒙特卡罗方法(MC方法) 、元胞自动机方法(CA
14、方法)及相场方法( Phase Field Method)等。这些方法最适用于宏观转变,可以预测出晶粒尺寸的显微组织特征和转变过程,是目前组织模拟最常用的方法。内部状态变量法,适用于非等温转变行为的组织模型的建立。而且如果显微组织的形成可以表示为时间的状态变量函数,那么采用适当的数值计算方法,原则上就可以与任意的变化过程(热、力) 实现耦合。内部状态变量法已广泛地应用于钢、铸铁和铝合金体系的非等温转变行为的预测中,成功地实现了显微组织形成过程的模拟,是一种非常有应用前景的方法。今后焊接显微组织模型发展的趋势是选用有效的方法将热场、应力场与显微组织场三场进行耦合,建立反映真实焊接组织变化过程的模型,并且该模型能对焊接接头进行性能预测,直接指导焊接生产工艺。3. 5其他应用(1)计算机模拟技术在腐蚀与防护领域的应用196 李伟:计算机在材料科学中的应用第35卷在腐蚀与防护中主要应用于电流密度分布、电场强度分析、电导率等方面,正确地反映了腐蚀过程中的变化特征,向着精确预测和严格定量方向发展,对大气腐蚀、海洋工程等预测和控制起到重大作用。采用有限元分析法、有限差分法、边界元法三种方法求解Lap lace方程(电化学电池中的控制电位分布等式) ,已经得到证实。通
