《材料加工過程宏觀模擬(Macro-)微觀模擬(Micro-)加工過程(Processing)組織演化(Microstructure)溫度場應(yīng)力場流場濃度場形態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變方程能量方程動量方程連續(xù)性方程擴散方程？？？傳導(dǎo)對流輻射???？《材料加工過程的數(shù)值模擬》其他場

基礎(chǔ)知識（2）微觀組織數(shù)值模擬簡介計算材料學(xué)簡介相變理論基礎(chǔ)熱力學(xué)基礎(chǔ)課程安排

相場法（5）

相場法基本原理及其應(yīng)用沉淀相析出再結(jié)晶過程凝固過程

元胞自動機（2）

基本原理模型應(yīng)用

水平集法（1）基本原理模型應(yīng)用主要參考書DierkRaabe，ComputationalMaterialsScienceNikolasProvatasandKenElder,

Phase-FieldMethods

inMaterialScience

andEngineering相關(guān)最新參考文獻(xiàn)微觀組織數(shù)值模擬簡介Whatismicrostructure?Whymodelingandsimulation?AmicrographofbronzerevealingacastdendriticstructureWhatismicrostructure?晶界、晶粒度、亞晶界相（形態(tài)、體積分?jǐn)?shù)）晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷微觀組織DendritesEutecticsCellularPeritecticsMicrostructureisimportant.“微觀組織”是材料科學(xué)的核心。

——劍橋大學(xué)教授R.W.Cahn材料在加工和服役過程中的力學(xué)性能在很大程度上取決于材料加工過程中形成的微觀組織微觀組織將物理和化學(xué)中的晶體、原子結(jié)構(gòu)及其基本作用規(guī)律有機結(jié)合在一起——使得材料研究成為一門科學(xué)成分-工藝-組織-性能性能是目的，成分是基礎(chǔ)，組織是表現(xiàn)形態(tài)，工藝是手段TheMaterialsTetrahedronMCFlemings&PraveenChaudhari1989Microstructureisimportant.ThisisanopticalinterferencecontrastmicrographthatwastakenwithaLeicaMEF4AmicroscopeequippedwithaSonyDKC5000Camera..MicrostructureisBeautiful.ZincoxidesinglecrystalsGranulatedSugar白砂糖一種酪酸鹽日本-秋山実（MinoruAkiyama）攝影家MicrostructureisBeautiful.酒石酸結(jié)晶隕石（Fe-Ni合金）MicrostructureisBeautiful.Thymol一種酚碳化硅MicrostructureisBeautiful.硅鋼結(jié)晶硅MicrostructureisBeautiful.鑄鐵Gallium鎵MicrostructureisBeautiful.液晶材料金剛石MicrostructureisBeautiful.納米碳管鎂合金表面磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜MicrostructureisBeautiful.NonlineardynamicsofsandrippleformationMicrostructureisAmazing.Eutecticstructures沙丘vs.共晶雪花vs.枝晶MicrostructureisAmazing.STM

5-foldsurfaceofi-Al-Pd-MnMicrostructureisAmazing.梯田vs.臺階組織云南元陽梯田IslandgrowthonPtsurface

MicrostructureisAmazing.斑紋vs.條帶、點狀組織螺形位錯引力和轉(zhuǎn)動的共同影響下形成星系的螺旋結(jié)構(gòu)MicrostructureisAmazing.星云vs.位錯MicrostructureisAmazing.MorphologicalSimilarity

Connections？？各種形態(tài)的枝晶組織螺旋生長與自然形態(tài)Modeling是溝通理論與實驗、微觀與宏觀的橋梁WhyModelingandSimulation?CharacterizationAl-Cu枝晶二維形貌（橫/縱截面）Al-Cu合金等溫粗化????WhyModelingandSimulation?ScienceUnderstandingPracticeApplicationsMicrostructureModelingofferinsightintothephenomenonofmicrostructureevolution;improveourunderstandingofthephysicsofmaterialsprocessingalloydesign;improvementsincurrenttechnologies;development

ofnewprocesses.WhyModelingandSimulation?計算材料學(xué)概述計算材料學(xué)簡介材料模擬中的多尺度

計算科學(xué)

應(yīng)用科學(xué)

計算機硬/軟件

數(shù)學(xué)什么是計算科學(xué)？Moore定律（1965）：計算機的CPU速度每1.5年增加一倍“科學(xué)計算已經(jīng)是繼理論科學(xué)、實驗科學(xué)之后，人類認(rèn)識與征服自然的第三種科學(xué)方法”。計算機軟硬件條件的飛速發(fā)展為科學(xué)計算的廣泛應(yīng)用提供了有力保證。

計算—第三種科學(xué)手段計算填補理論分析與實驗之間的空白計算使得人們能夠深入研究一大批從科學(xué)理論分析角度看過于復(fù)雜、過于困難，而從科學(xué)實驗角度看又過于昂貴、過于危險，甚至是無法進(jìn)行的探索問題計算已成為理論與實驗相互補充的第三種手段,已成為人們認(rèn)識世界的第三只眼睛計算科學(xué)至今尚未具備象理論、實驗與工程設(shè)計那些傳統(tǒng)方式可預(yù)測的可靠性任何計算模型只是客觀真實事物的一個近似AdvantageDisadvantage計算材料學(xué)定義計算材料學(xué)是近年里飛速發(fā)展的一門新興交叉學(xué)科。它綜合了凝聚態(tài)物理、材料物理學(xué)、理論化學(xué)、材料力學(xué)、工程力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機算法等多個相關(guān)學(xué)科。本學(xué)科的目的是利用現(xiàn)代高速計算機，模擬材料的各種物理化學(xué)性質(zhì)，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現(xiàn)象與特征，并對于材料的結(jié)構(gòu)和物性進(jìn)行理論預(yù)言，從而達(dá)到設(shè)計新材料的目的。經(jīng)驗型（炒菜式）智能型（材料設(shè)計）

傳統(tǒng)的材料研究方法工藝尋優(yōu)成本控制材料制備性能表征服役行為新材料探索系統(tǒng)集成性能優(yōu)化……經(jīng)驗積累循環(huán)試錯以大量的材料制備為中心，強調(diào)經(jīng)驗積累；被動的性能表征；經(jīng)驗與不斷的循環(huán)試錯而提高性能：實驗尋優(yōu)。SiliconAgeComputationalMaterialsbyDesignAge計算材料學(xué)StoneAgeBronzeAgePlasticAgeIronAgeIndustrialAge通過模型化與計算實現(xiàn)對材料制備、加工、結(jié)構(gòu)、性能和服役表現(xiàn)等參量或過程的定量描述理解材料結(jié)構(gòu)與性能與功能之間的關(guān)系設(shè)計新材料縮短材料研制周期降低材料制造過程成本“材料設(shè)計”是指通過理論與計算預(yù)測新材料的組分、結(jié)構(gòu)與性能，或者通過理論設(shè)計來“定做”具有特定性能的新材料。計算材料學(xué)內(nèi)涵微觀設(shè)計層次：空間尺度約在lnm量級，是原子、電子層次的設(shè)計；連續(xù)模型層次：典型尺度約在1μm量級，這時材料被看成連續(xù)介質(zhì)，不考慮其中單個原子、分子的行為；工程設(shè)計層次：尺度對應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的加工和使用性能的設(shè)計研究。材料設(shè)計的層次材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從量子化學(xué)、固體物理、結(jié)構(gòu)化學(xué)等角度探索研制新材料、新物質(zhì)的新思想和新概念；從相圖、熱力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)出發(fā)，探索新型合金、氧化物等新材料及其制備方法的革新；運用模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等數(shù)據(jù)挖掘方法，結(jié)合數(shù)據(jù)庫和知識庫，總結(jié)材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系、成分及工藝條件與材料性能或生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)（成品率、能耗等）的關(guān)系等規(guī)律，用于材料制備和加工的優(yōu)化。材料設(shè)計的層次計算材料學(xué)概述計算材料學(xué)簡介材料模擬中的多尺度Grain/crystalInter-grainslipGrainboundaryTwinsprecipitatesAtomsMeso（介觀）Micro（微觀）Nano（納觀）Macro(宏觀)DifferentScalesMultiscaleModelling&Simulations10-910-610-3100LengthScale,m10-1510-1210-910-610-3100103Time,sAtomisticDislocationsSubstructuresGrain/PhaseMacro-InterfaceFEACellularAutomataPhaseFieldDislocationDynamicsMolecularDynamicsTightBindingAb-InitioPhysicalChemicalBiologicalMechanicalMacroscopic-scale(mm~cm,m)SolidificationGrainstructuresCETPorosity,MacrosegregationShrinkageCavity…Mesoscopic-scale(m~cm)Grainstructures,CETDendritemorphology,SDASEutectic,PeritecticMicrosegregation,Microporosity…Microscopic-scale(nm~m)DendriticgrowthmorphologyTransition/plane-cellular-dendriticEutectic,Peritectic…Nanoscopic-scale(~nm)Nucleation(Clustering)S/LinterfacemorphologyAtomicattachmentDislocationmovement宏觀介觀微觀納觀CAModels

MonteCarloLevelset

MethodStandardTransportMolecularDynamicsAtomisticSimulationFirst

PrinciplePhaseFieldModelsSimulationsofheattransferanddiffusioninnuclearfuelsPhaseFieldsimulationsofvoidformationandevolutionThermo-chemicalmodelsof

oxygendiffusivityMoleculardynamicscalculationsofpointdefectenergyNucleationsites

ElectronicStructureCalculations(DFT)Inter-atomicpotential

parameters

Porosity

D(T,x,p)

多尺度模擬策略Meshingandvirtualexperimentation(OOF)PropertystatisticsPhasefieldmodelThermodynamicvariables(CALPHAD)

MobilitiesInterfacialenergiesNucleationModelsDiffusion