了得網研究生_材料設計教程(戴起勛)

第1章材料設計概述 1．1 材料設計發展的歷史與作用 1．1．1 材料設計的發展階段 1．1．2 材料設計的發展概況 1．2 材料設計範圍與內容 1．3 材料設計的層次與特點 1．3．1 材料設計的層次 1．3．2 多尺度關聯模型 1．3．3 材料設計的特點 1．4 材料設計的類型和方法 1．5 材料設計的任務本章小結習題與思考題參考文獻第2章材料設計的主要技術與途徑 2．1 材料設計的知識庫與數據庫 2．2 材料設計的專家繫統 2．3 基於性原理的計算設計 2．3．1 基本理論的近似假設 2．3．2 密度泛函理論 2．3．3 準粒子方程(GW近似) 2．3．4 Car-Parrinello方法 2．4 材料設計的計算機模擬 2．4．1 分子動力學模擬 2．4．2 蒙特卡羅模擬 2．4．3 人工神經網絡在材料設計中的應用 2．5 合金特征晶體理論 2．5．1 合金相統計熱力學理論 2．5．2 合金晶體物理與化學計算框架 2．6 基於相圖計算的材料設計 2．6．1 相圖熱力學計算模型 2．6．2 Md法計算相界成分 2．6．3 CALPHAD計算模式 2．7 基於數據采掘的材料設計 2．8 數學方法在材料設計中的應用 2．8．1 法 2．8．2 遺傳算法 2．8．3 分形理論 2．8．4 其他方法本章小結習題與思考題參考文獻第3章基於性原理的材料設計 3．1 原子相互作用勢的計算應用 3．1．1 性原理原子間相互作用對勢的嚴格表達 3．1．2 陳氏晶格反演定理 3．1．3 基於abinitio計算方法的理論模型 3．2 高溫丁i合金的優化設計 3．2．1 特性原子序列信息 3．2．2 fcc-TiAl合金信息 3．2．3 降低fcc-TiAl化合物脆性的信息綜合 3．3 奧氏體鋼abinitio計算設計 3．3．1 理論基礎 3．3．2 奧氏體不鏽鋼模量的計算設計 3．4 超硬材料計算設計 3．4．1 超硬材料體積彈性模量 3．4．2 B-Si3N4的電子結構 3．4．3 B-C3N4的計算設計與開發 3．4．4 c-BCN設計與開發 3．4．5 低壓縮繫數金屬氮化物本章小結習題與思考題參考文獻第4章相圖熱力學計算設計 4．1 相圖優化和計算過程 4．2 CALPHAD相圖計算 4．2．1 實際合金集團數據庫 4．2．2 無鉛微焊材料的設計計算 4．2．3 超級奧氏體鋼相平衡的計算預測 4．2．4 Ti合金超塑性的Md法計算設計 4．3 abinitio和CALPHAD有機結合的計算方法 4．3．1 ahinitio應用於CALPHAD能量計算 4．3．2 abinitio應用於CALPHAD相圖計算 4．3．3 abinitio對動力學計算的貢獻 4．4 奧氏體鋼組織穩定性的數值計算設計 4．4．1 高溫組織穩定性 4．4．2 中溫組織穩定性 4．4．3 低溫組織穩定性 4．5 銅合金熱力學計算模擬 4．5．1 熱力學平衡關繫 4．5．2 計算模型及程序 4．5．3 材料熱物理性能的計算模型 4．5．4 模擬計算結果與驗證 4．5．5銅合金相圖計算 4．6 鋁合金熱力學平衡相計算本章小結習題與思考題參考文獻第5章材料數值模擬設計 5．1 概述 5．1．1 材料研究模型化 5．1．2 數值模型化與模擬 5．2 材料表面激光作用的數值模擬 5．2．1 模擬的基本數學模型 5．2．2 溫度場演化的模擬 5．2．3 細晶化和非晶形成的預測 5．3 工程應用層次的材料數值計算 5．3．1 繫統設計思路 5．3．2 奧氏體鋼強度的數值計算 5．3．3 奧氏體鋼衝擊韌度的數值計算 5．3．4 高性能鋼的設計與應用 5．4 形狀記憶合金的計算模擬 5．4．1 邊界設計方法 5．4．2 誘發相變熱力學 5．4．3 應力誘發相變 5．4．4 鐵基形狀記憶合金TRIP鋼的馬氏體相變模擬 5. 5 奧氏體不鏽鋼應力腐蝕壽命預測與計算設計 5．5．1 奧氏體不鏽鋼應力腐蝕壽命曲線與設計參數 5．5．2 奧氏體不鏽鋼應力腐蝕疲勞壽命預測 5．5．3 奧氏體不鏽鋼應力腐蝕敏感性判據 5．5．4 奧氏體不鏽鋼應力腐蝕疲勞機理本章小結習題與思考題參考文獻第6章基於數據采掘的材料設計與預測 6．1 基於數據采掘的半經驗設計方法 6．1．1 復雜數據信息采掘原理 6．1．2 復雜數據信息采掘各種算法的長處局限性 6．1．3 數據采掘法經驗材料設計的應用 6．2 合金設計 6．2，1 合金設計技術概述 6．2。2 高合金超高強度鋼設計 6．3 基於組合方法的多組分新材料合成設計 6．3。1 電子材料的發現 6．3．2 新型磁性材料 6．3．3 多相催化劑開發本章小結習題與思考題參考文獻第7章結構復合材料的設計 7．1 復合材料的設計與方法 7．1．1 復合材料的可設計性 7．1．2 復合材料設計的研究方法 7．1．3 復合材料基體與增強體選擇 7．2 復合材料力學性能計算模型 7．2．1 連續纖維增強復合材料性能 7．2．2 短纖維增強金屬基復合材料 7．2．3 顆粒增強復合材料的彈性和強度 7．3 復合材料性能相關性的計算模型 7．3．1 性能相關性的計算模型 7．3．2 模擬與分析 7．4 納米復合材料有效彈性的計算 7．5 纖維增強復合材料的力學失效與計算模擬 7．5．1 短纖維增強復合材料疲勞性能模型與預測 7．5．2 纖維增強復合材料壓縮失效模擬本章小結習題與思考題參考文獻第8章功能復合材料設計 8．1 功能復合材料設計概述 8．1．1 功能復合材料種類 8．1．2 功能復合材料的設計特點 8．1．3 金屬基功能復合材料的設計方法 8．1．4 仿生復合材料的設計 8．2 熱功能復合材料的設計 8．2．1 復合材料比熱容力口和性原理 8．2．2 復合材料熱膨脹繫數的計算 8．3 熱防護梯度功能材料設計 8．3．1 基本設計思想 8．3．2 基本設計方法 8．4 其他功能復合材料的設計 8．4．1 阻尼復合材料 8．4．2 零膨脹復合材料的設計模擬本章小結習題與思考題參考文獻第9章材料成型加工過程模擬設計 9．1 概述 9．2 鑄造工藝過程的數值模擬 9．2．1 凝固過程數值模擬基本方法 9．2．2 溫度場數值模擬及收縮缺陷預測 9．2．3 應力場的模擬 9．2．4 鑄件微觀組織的模擬 9．3 材料連接成型過程模擬 9．3．1 焊接熱循環主要參數的數學模型 9．3．2 焊接熱裂紋的模擬技術 9．3．3 焊接應力與殘餘應力的模擬預測 9．4 金屬塑性成型模擬 9．4．1 金屬塑性成型模擬的基本步驟 9．4．2 鋼錠鍛造形變過程模擬 9．4．3 AZ31合金深拉伸過程模擬 9．4．4 控軋鋼形變誘發相變的計算機模擬 9．4．5 薄板衝壓工藝一體化模擬技術本章小結習題與思考題參考文獻第10章材料變形與斷裂的介觀設計 10．1 概述 lo．2 顆粒增強鋁基復合材料的力學行為模擬 10．2．1 高體積分數顆粒增強復合材料力學行為模擬 10．2．2 顆粒尺寸效應的數值模擬 10．2．3 顆粒增強鋁基復合材料的界面力參數 10．2．4 復合結構界面裂紋形成的模擬 10．3 裂端擴展過程的分子動力學模擬 10．3．1 計算模型 10．3．2 裂紋尖端位錯發射 10。3．3 三重嵌套模型和關聯參照模型 10．4 周期載荷下裂紋擴展的分子動力學模擬 10．4．1 研究方法 10．4．2 模擬結果與分析本章小結習題與思考題參考文獻第11章材料表面技術模擬與設計 11．1 概述 11．2 多晶薄膜生長過程的模擬 11．2．1 FACET模型及模擬分析 11．2．2 薄膜島狀結構形成的動力學 MonteCarlo模擬 11．2．3 基於Wolf-Villain模型的薄膜生長模擬 11．3 表面塗覆層制備的數值模擬 11．3．1 PVD法和CVD法的數值模擬 11．3．2 等離子熱噴塗數值模擬方法 11．3．3 等離子噴塗溫度場數值模擬 11．4 表面塗覆殘餘應力的模擬計算 11．4．1 熱噴塗殘餘應力分析及模擬 11．4．2 高溫梯度復合塗層殘餘應力數值分析本章小結習題與思考題參考文獻第12章材料模擬設計研究進展 12．1 條件下的abinitio模擬 12．1．1 ab initio分子動力學模擬模型 12．1．2 高壓下材料結構的鋻別 12．1．3 高壓化學反應 12．1．4 熔化溫度的計算12．2 高分子材料設計的新方法12．3 納米晶金屬的形變 12．3．1 金屬納米晶形變機理模擬 12．3．2 納米壓痕(刻痕、壓坑)的原子模擬12．4 材料模擬設計應用進展實例 12．4．1 新材料開發 12．4．2 新理論研究 12．4．3 新材料制備技術本章小結習題與思考題參考文獻

前言

材料設計科學是綜合了材料科學、數學、物理學、化學、力學、計算機科學和工程科學等學科發展起來的交叉學科領域，由於逐漸在材料科學與工程學科各領域中發揮了巨大的作用而發展成為一個新興學科領域。現代材料科學與工程的研究，幾乎是各個領域都涉及材料的計算、模擬及設計的內容。現代企業在技術開發、產品設計中也都會使用相關軟件或方法來進行優化設計、模擬，並在生產加工過程中實現計算機控制，以提高產品質量。隨著科學與技術的發展，對高校的人纔培養提出了更高的要求，各學科、專業的內涵也發生了很大的變化。有關材料設計與模擬的基本概念、思路方法和應用特點等基本知識已逐漸納入高校人纔培養計劃中成為必修的課程內容，這已成為大家的共識。因此，近年來許多高校在研究生、本科生中都相繼開設了材料計算學、材料計算設計或材料模擬設計等名稱的課程，特別是研究生教學計劃中，幾乎都設置了名稱不一、程度不一的課程。目前，雖然也出版了一些著作或教材，但基本上都是從計算設計理論角度來描述教材的內容，在面向工科類學生教學授課時有較大的難度，實際應用性也比較欠缺。本書特點是層次結構較繫統科學、知識概念突出應用性、內容實例注重新穎典型。本書較繫統地介紹了性原理計算方法、各種計算機模擬技術、相圖設計，也介紹了傳統經驗計算設計等內容。全書體繫分為四個層次：為材料設計的基本概念和內涵，材料設計的主要技術與途徑(第1、2章)，以使讀者對材料設計科學有一個宏觀的認識和掌握材料設計的基本概念；第二部分是在材料設計主要技術的基礎上，進一步介紹材料設計的性原理計算、相圖熱力學設計、數值模擬設計和半經驗設計與預測等方面的思路、方法和應用實例，分別為第3～6章；然後在第7—11章介紹比較典型的材料領域模擬設計方法及其研究應用，如復合材料、材料加工過程、材料變形與斷裂和材料表面技術等模擬設計。後，作為正在快速發展中的學科交叉領域，第12章以大量實例介紹了目前國際上材料模擬設計的部分研究成果和發展趨勢。在各部分內容的取舍上突出應用性，理論及模擬理論基礎的演化過程一般不作詳細介紹，重點是論述各種計算途徑的方法、思路、特點、應用及其局限性。因為本書主要是作為材料類各專業本科生或研究生的教材，所以在內容、體繫上注重其教學適用性的特點。對於具體材料及設計領域的各章，在內容安排上力求選擇新而典型的成功研究成果。例如：在第5、11章分別選取了黃克智教授主持的國家自然科學基金重大項目“材料的宏微觀力學與強韌化設計”所取得的部分傑出成果；第9章收入了翁宇慶教授等主持的973項目“新一代鋼鐵材料重大基礎研究”所取得的成果；在第3章選取了Lenente Vitos和G．B．01SOB等利用性原理計算設計奧氏體鋼模量參數、謝佑卿等高溫丁i合金的優化設計成果；第10章部分內容編譯了BrianCOX等在2006年《Science》期刊上報道的復合結構裂紋形成模擬的成果；第12章則更是重點選取了在《Science》、《Nature》、《ActaMater》、《MaterialsT。day》等國際著名刊物上報道的材料計算與模擬方面的研究成果；書中各章許多有關內容還參考了《Comput.Mater.Sci》、《CALPHAD》、《Mater.Sci.&Eng．》等其他國際著名刊物上近報道的研究成果。有許多內容是交又的，如凝固數值模擬放在第9章，是以內容特點來考慮的，其他各章內容也有類似的情況。所舉的一些實例是研究者應用計算理論或模擬軟件解決實際問題的研究成果，雖不能說是材料計算與模擬設計研究的準則，但可給大家提供一個應用計算(模擬)設計理論與方法來研究問題的思路、方法和啟示。編者從事材料模擬設計開發方面的研究已有多年，如奧氏體鋼力學性能和相變熱力學等參數的數值、模擬計算、原位增強鋁基復合材料的優化設計等。隨著材料科學的發展和教學的改革，編者近年來為研究生、本科生開設了計算材料學和材料模擬設計的課程，不斷地學習新知識、積累資料充實教學內容。本教材側重於描述材料各領域計算設計與模擬的思路、方法、應用、可行性及可靠性。另外，金屬材料、無機材料、高分子材料和復合材料等方面的內容與例子盡量都能兼顧到，以擴大學生的知識面，增強學生的材料科學與工程(MSE)學科素質。對本科生開設該課程，目的是使學生了解和掌握材料設計與模擬的基本概念、思路方法和應用特點等基本知識。在研究生教學中，在基本知識的基礎上根據不同學科的內涵可在某些方面深入介紹。利用該教材，教師在授課時可根據本科生或研究生的教學要求和學時數，可選擇重點授課的內容。在講授過程中應盡可能地補充一些研究成果的實例和圖片，以取得更好的教學效果。另外，根據具體情況可安排一些計算模擬實驗。材料設計科學發展到現在，逐步形成了較完整的體繫，但畢竟還處於初級階段。因此，雖然該教材是新的體繫，但還有進一步完善的較大空間。在材料科學與工程領域，有關設計與模擬的研究成果很多，不勝枚舉。由於本書篇幅有限，並且限於編者的水平和占有的資料，所以難以一一概全、重點而典型。有關研究成果中建模及理論依據一般不作詳細介紹，讀者如有興趣可查閱原始文獻。本書為江蘇大學品牌、特色專業(江蘇省金屬材料工程品牌專業、江蘇省材料成型與控制特色專業和江蘇省無機非金屬材料工程特色專業)建設的重要內容之一。是江蘇省高等學校立項精品教材。本書第1、2、4～6章由戴起勛教授編寫，其中畢凱博士參與了第2、4章的編寫工作，第7～9章由趙玉濤教授編寫，第10章由戴起勛教授和劉軍教授編寫，第ll章由劉軍教授編寫，第3、12章由袁志鐘博士編寫。全書由戴起勛教授和趙玉濤教授構思、統稿，由南京航空航天大學陶傑教授、江蘇工業大學陳志剛教授主審。編寫過程中參考了許多國內外文獻資料，主要參考文獻列於各章後，在此謹向所有參考文獻的作者誠致謝意。劉瑜、韓劍、曹健峰、夏小江、李長勝、劉瑞霞、何毅、陳曦等研究生對部分有關文獻進行了翻譯，江蘇省教育廳對立項精品教材給予了支持，化學工業出版社對本書的出版付出了辛勤的勞動，在此一並表示衷心的感謝。該教材既是材料類各本科專業學生公共知識平臺課程的教材，也可以作為研究生課程教學的教材或參考書，還可作為從事材料工作技術人員的參考書。限於編者的知識水平，書中難免有謬誤，敬請同行和讀者批評指正，以利於今後的補充、修改和完善。戴起勛趙玉濤 2007年6月於江蘇大學

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