1、計算機在材料科學中的應用李偉(湖北財稅職業學院信息工程系武漢430064)摘要介紹計算機技術在材料科學研究中應用領域。探討計算機在材料科學研究領域中的具體應用。借助于計算機可推動材料研究、開發與應用。關鍵詞計算機技術材料科學應用1引言計算機模擬技術已廣泛應用于包括材料液態成形、塑性成形、連接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、復合材料成形等各種材料成形工藝領域。計算機模擬技術在材料成形加工中的應用,使材料成形工藝從定性描述走向定量預測,為材料的加工及新工藝的研制提供理論基礎和優選方案,從傳統的經驗試錯法,推進到以知識為基礎的計算試驗輔助階段,對于實現批量小、質量高、成本低、交貨期短、生產柔性、

2、環境友好的未來制造模式具有重要的意義。計算機模擬是未來材料成形制備工藝的必由之路,其發展趨勢是多尺度模擬及集成。2計算機在材料科學中的應用領域2. 1計算機用于新材料的設計材料設計是指通過理論與計算預報新材料的組分、結構與性能,或者通過理論與設計來“訂做”具有特定性能的新材料,按生產要求設計最佳的制備和加工方法。材料設計按照設計對象和所涉及的空間尺寸可分為電子層次、原子/分子層次的微觀結構設計和顯微結構層次材料的結構設計。材料設計主要是利用人工智能、模式識別、計算機模擬、知識庫和數據庫等技術,將物理、化學理論和大批雜亂的實驗資料溝通起來,用歸納和演繹相結合的方式對新材料的研制作出決策,為材料設

3、計的實施提供行之有效的技術和方法 1 , 3 。2. 2材料科學研究中的計算機模擬利用計算機對真實系統模擬實驗、提供模擬結果,指導新材料研究,是材料設計的有效方法之一。材料設計中的計算機模擬對象遍及從材料研制到使用的過程,包括合成、結構、性能制備和使用等。計算機模擬是一種根據實際體系在計算機上進行的模擬實驗。通過將模擬結果與實際體系的實驗數據進行比較,可以檢驗模型的準確性,也可以檢驗出模型導出的解析理論所作的簡化近似是否成功,還可為現實模型和實驗室中無法實現的探索模型做詳細的預測并提供方法。2. 3材料與工藝過程的優化及自動控制材料加工技術的發展主要體現在控制技術的飛速發展,微機和可編程控制器

4、( PLC)在材料加工過程中的應用正體現了這種發展和趨勢。在材料加工過程中利用計算機技術不僅能減輕勞動強度,更能改善產品的質量和精度,提高產量。用計算機可以對材料加工工藝過程進行優化控制。例如在計算機對工藝過程的數學模型進行模擬的基礎上,可以用計算機對滲碳滲氮全過程進行控制。在材料的制備中,可以對過程進行精確的控制,例如材料表面處理(熱處理)中的爐溫控制等。計算機技術和微電子技術、自動控制技術相結合,使工藝設備、檢測手段的準確性和精確度等大大提高。控制技術也由最初的簡單順序控制發展到數學模型在線控制和統計過程控制,由分散的個別控制發展到計算機綜合管理與控制,控制水平提高,可靠性得到充分保證。2

5、. 4計算機用于數據和圖像處理材料科學研究在實驗中可以獲得大量的實驗數據,借助計算機的存儲設備,可以大量保存數據,并對這些數據進行處理(計算、繪圖,擬合分析)和快速查詢等。194 計算機與數字工程第35卷3 收到本文時間: 2006年9月21日作者簡介:李偉,女,主講教師。材料的性能與其凝聚態結構有密不可分的關系,其研究手段之一就是光學顯微鏡和電子顯微鏡技術,這些技術以二維圖像方式表述材料的凝聚態結構。利用計算機圖像處理和分析功能就可以研究材料的結構,從圖像中獲取有用的結構信息,如晶體的大小,分布,聚集方式等,并將這些信息和材料性能建立相應的聯系,用來指導結構的研究。3計算機的具體應用3. 1

6、液態金屬成形的計算機模擬(1)液態金屬充型過程的計算機數值模擬金屬液充型過程數值模擬的研究中多數采用SO - LA - VOF ( Solution Algorithm) 法為基礎,引入體積函數處理自由表面,并在傳熱計算和流量修正等方面進行研究改進。有的研究在對層流模型進行大量試驗驗證之后,用K - 雙方程模型模擬充型過程的紊流現象 4 , 5 。到目前為止,雖然已研究了許多算法,如:并行算法、三維有限單元法、三維有限差分法、數值方法與解析方法混合的算法等,但尚沒有最好的算法,各種算法各有優劣,應用的側重點不同。(2)凝固過程的數值模擬通過鑄件凝固過程數值模擬的計算,確定鑄件內溫度場,可以畫出

7、鑄件在任意斷面上的等溫線分布,凝固前沿進程,以及等時線分布,或者以動態的方式顯示鑄件在三維方向上的凝固進程,以確定最后凝固的部位和分析產生縮孔、縮松缺陷的位置和大小 6 , 7 。目前,縮孔、縮松定量預測的方法已經在鑄造廠得以應用,并取得了良好的經濟效益。(3)應力場的數值模擬凝固成形過程應力場的模擬計算能夠幫助預測和分析鑄件的裂紋、變形及殘余應力,為控制由應力應變造成的缺陷、優化鑄造工藝、提高鑄件尺寸精度及穩定性提供科學依據。(4)凝固組織形成過程的數值模擬凝固過程組織數值模擬的主要模型有蒙特卡洛模型(Monte Carlo) 、相場模型和基于界面穩定性理論的晶體生長模型。蒙特卡洛模型缺少物

8、理背景,不能定量地分析各種物理因素和工藝因素對凝固組織的影響,當前使用較少;相場模型能清晰地模擬出枝晶生長、粗化過程,模擬出凝固組織的細節,但相場模型需要較大的計算機內存、較快的計算速度,隨著計算機的發展,將來相場模型可能成為模擬凝固組織的主要方法;基于界面穩定性理論的晶體生長模型近年來已經有了較大的發展,是當前模擬凝固組織使用較多的模型,但這一模型尚不完善,有待于進一步研究 8 , 9 。微觀結構模擬經過十多年的研究,在結晶形核、晶粒生長、碰撞以及液體中的溶質再分配等各方面都有了很大進步。目前,已研究出現了許多實用化的液態成形工藝模擬軟件,見表1 。表1世界上主要液態成形模擬軟件及應用3.

9、2熱處理計算機模擬技術的應用熱處理計算機模擬是有賴于計算傳熱學、相變動力學、熱彈性力學、數值計算等學科的發展,不僅為熱處理計算機模擬的研究與應用提供了堅實基礎,還第35卷(2007)第5期計算機與數字工程195促進了熱處理模擬技術的迅速發展,在淬透性控制、感應加熱、真空加熱、氣氛控制、爐溫控制、相變動力學曲線計算等方面已取得了成果。目前,熱處理模擬技術的應用正日益廣泛,受到人們的重視。在計算機模擬鋼的淬火方面,近年來采用數值計算處理鋼的淬火硬化,并建立了熱彈性模型。對溫度控制、相變及殘余應力等建立了以計算機為基礎的模型,從而實現了優化淬火硬化過程。在定值氣體滲碳過程中,已建立離子滲碳數學模型,

10、通過計算機模擬使數字模型編入衛星計算機內存中,輸入數據進行計算,可以獲得與實際相吻合的碳濃度分布曲線。除此之外,控制滲氮的數學模型也已建立起來,使模擬技術的應用更加廣泛。在感應加熱和真空加熱控制方面,也全面地模擬了整個系統的工藝參數。整個工藝過程由計算機按照工藝參數準確地進行控制,消除人為誤差,提高了產品質量。熱處理計算機模擬技術還應用在計算碳素共析鋼AP轉變的動力學曲線上,采用了差熱分析法和模擬技術相結合的方法,建立了DTA曲線和轉變動力學曲線之間轉換的數學模型,計算出鋼A P等溫轉變動力學曲線。熱處理技術實現了利用流體力學計算流態床的模擬、燃器和燃燒過程的模擬以及真空氣淬過程的模擬等研究。

11、3. 3塑性成形的計算機模擬塑性成形過程的計算機模擬是在計算機上對金屬塑性成形過程進行實時跟蹤描述,并通過計算機圖形系統演示整個過程的技術。其目的在于通過建立分析模型對金屬的變形、應力、應變和組織等進行仿真,實現對工藝過程、毛坯形狀以及模具結構的優化。可縮短研發周期,提高產品質量,延長模具壽命,降低生產成本。在國外,塑性成形數值模擬已成為某些大型企業新產品開發鏈條中不可缺少的一環,同時數值模擬對優化已有產品的生產工藝同樣具有重要意義。塑性成形數值模擬最初的研究工作多集中在大學和研究機構,主要使用二維的模擬軟件,近年來隨著計算機技術的飛速發展和數學算法上的改進,三維模擬技術已日臻成熟,并開始在工

12、業界得到推廣應用,用來解決復雜鍛件的成形問題。過去該方面研究主要集中于成形過程模擬和工藝缺陷的預報,目前逐漸集中于宏觀變形與微觀變形的結合,例如模擬塑性加工過程中的晶粒演變、織構變化、相變及第二相析出等微觀結構變化。數值模擬在塑性成形工業中已取得成功的領域有:制訂鍛造工藝、模具應力分析、鍛造工藝缺陷分析、特別是大型鍛件的工藝制定等方面。現有模擬分析塑性成形的方法有切塊法、滑移線法、上限法、有限元法和邊界元法等,其中以有限元法特別是剛性有限元法應用最為廣泛。已商用的模擬軟件有體積塑性成型模擬軟件: DEFORM、AU TO2FORGE、SUPERFORGE;板料塑性成型模擬軟件: DYNA3D、

13、PAM2STAMP、ANSYS等。圖1塑性成形過程計算機模擬流程3. 4連接成形的計算機模擬連接成形的計算機模擬主要指對焊接工藝過程的計算機模擬。目前研究的領域包括焊接熱過程、焊接冶金過程、焊接熱應力、殘余應力和變形的模擬。焊接冶金過程的計算機模擬包括對焊縫金屬的結晶過程、焊縫和熱影響區組織的估計、最佳焊接條件的選擇等的模擬,是目前在焊接中計算機模擬的最重要的課題。目前,常用的焊接顯微組織模擬的方法主要有四種:經驗法、統計法、組織形成的直接模擬法及內部狀態變量法 10 12 。組織形成的直接模擬法是通過直接模擬焊縫中晶粒的形核和長大來模擬組織,如蒙特卡羅方法(MC方法) 、元胞自動機方法(CA

14、方法)及相場方法( Phase Field Method)等。這些方法最適用于宏觀轉變,可以預測出晶粒尺寸的顯微組織特征和轉變過程,是目前組織模擬最常用的方法。內部狀態變量法,適用于非等溫轉變行為的組織模型的建立。而且如果顯微組織的形成可以表示為時間的狀態變量函數,那么采用適當的數值計算方法,原則上就可以與任意的變化過程(熱、力) 實現耦合。內部狀態變量法已廣泛地應用于鋼、鑄鐵和鋁合金體系的非等溫轉變行為的預測中,成功地實現了顯微組織形成過程的模擬,是一種非常有應用前景的方法。今后焊接顯微組織模型發展的趨勢是選用有效的方法將熱場、應力場與顯微組織場三場進行耦合,建立反映真實焊接組織變化過程的模

15、型,并且該模型能對焊接接頭進行性能預測,直接指導焊接生產工藝。3. 5其他應用(1)計算機模擬技術在腐蝕與防護領域的應用196 李偉:計算機在材料科學中的應用第35卷在腐蝕與防護中主要應用于電流密度分布、電場強度分析、電導率等方面,正確地反映了腐蝕過程中的變化特征,向著精確預測和嚴格定量方向發展,對大氣腐蝕、海洋工程等預測和控制起到重大作用。采用有限元分析法、有限差分法、邊界元法三種方法求解Lap lace方程(電化學電池中的控制電位分布等式) ,已經得到證實。通過計算機模擬技術可以把此方程應用到各種復雜變化條件中進行求解。這樣可測量電位分布圖,觀察到隨時間變化的極化性質,也可用泊松方程計算電

16、化學作用中的性質,如電場強度、電流密度、電位等,用來確定陰極保護參數和腐蝕速率的預測估計 13 。計算機模擬技術也比較適用于局部腐蝕電池,腐蝕形狀用元素網絡模擬,這種模擬已用于電偶腐蝕和濃度電池,腐蝕電池的模擬已進一步推廣應用到預測核廢料密封罐的長期腐蝕速率。在腐蝕領域中模擬技術不僅限于應用數字模型,還探討了合金的腐蝕和鈍化,電位- FH圖同樣可用計算機模擬,幫助預測腐蝕是否發生。A. Borell等以貧洛理論為基礎的計算機模型模擬了晶間腐蝕,描述了TTS圖。計算機模擬技術也用于陽極電阻公式的計算、陰極保護系統的設計、及應力腐蝕斷裂行為的分析等方面。計算機模擬技術已成為腐蝕與防護研究中的一個強

17、有力的工具,借助模擬技術,人們已實現了設計、控制等功能。(2)材料檢測方面的應用計算機在材料檢測中的應用目前主要集中于材料的成分、組織結構與物相、物理性能的檢測,以及機械零部件的無損檢測等方面其基本方法是借助于某種探測器內各探測到的信號轉化為數字信號傳輸到計算機里,然后通過程序員編制的相關程序對這些數字信號判斷、處理后得到相應結果 14 。譬如,能譜分析儀、X射線儀、超聲波無損檢測儀及萬能材料實驗機等的計算機處理系統等就是這方面應用的成功事例。今后計算機在材料科學中的應用會日益廣泛深入,作為材料工作者,應充分利用這一現代化工具來推動材料科學的發展。(3) 金屬粉末注射成形過程的計算機模擬基于連

18、續介質理論, 應用有限元軟件ANSYS的FLOTRAN 流體分析模塊,對金屬粉末注射成形過程進行了模擬分析,揭示了金屬粉末注射成形時喂料流動填充型腔的速度、壓力與注射時間的關系;得到了注射壓力對充填時間和型腔壓力的影響規律,確定了最佳的充模時間;分析了不同澆口位置注射時注射件關鍵單元的流動速度和壓力分布,預測了注射件的成形質量,提出了防止注射件缺陷產生的措施。4結束語材料科學是多學科交又的新興的發展不成熟的學科,目前對它的研究很大程度上還依賴于事實和經驗的積累,系統地研究還需一個很長的過程。計算機作為一種現代工具,在當今世界的各個領域日益發揮巨大的作用,它己滲透到各門學科領域以及日常生活中成為

19、現代化的標志。在材料領域,計算機也正在逐漸成為極其重要的工具,計算機在材料科學中的應用正是材料科學飛速發展的重要原因之一。參考文獻 1 柳百成. 21世紀的材料成形加工技術 J . 航空工藝技術, 2003, (6) : 1769 2 李殿中,張玉妥,劉實等. 材料制備工藝的計算機模擬 J . 金屬學報, 2001 , 37 (5) : 449452 3 Wen S , Farrugia D C J . Conf on Advances in Materialsand Processing Technologies C . Ireland University ofTehran , 1999

20、: 123127 4 Devadas C. The Thermal and Metallurgical State of SteelStrip During Hot Rolling ( Part3 ) J . MetallurgicalTransaction A , 1991 , (2) : 335339 5 柳百成. 鑄件充型凝固過程數值模擬國內外研究進展 J . 鑄造, 1999 , (8) : 4044 6 Xiong Shou mei , liu Bai cheng. Numerical simulation ananalysis of residual stress in machine tool bed casting J .Tinghua Science and Technology , 1996 (6) : 184189 7 李晨曦,李革. 凝固組織計算機模擬技術評述 J . 沈陽工業大學學報, 2001 , 23 (5) : 372375 8 Est rin. A Deeper look at casting simulation software sur2vey J . Modern Casting , 1999 , 89 (5) : 4751 9 ZHA