材料科学研究的基本方法与规律

材料科学研究的基本方法与规律

摘要本文首先从广义和狭义上对材料研究方法进行了定义，从材料的组成和结构出发，根据不同的应用场合和不同的结构层次对材料进行层次划分。对非宏观层次的材料按信息形式分为图像分析法和非图像分析法，并对它们进行了阐述和讨论。

关键词材料结构层次，图像分析法，非图像分析法

Methods and Rules of Materials Science Research

LIU Chensi

Sochow University, Mechanical and Electrical Engineering

ABSTRACT In this paper, materials research methods from the broad and narrow are defined at first, then according to different applications and different structural levels of materials the material composition and structure of the hierarchy divided. Forms of information into non-macro-level materials are divided into image analysis and image analysis, and they are elaborated and discussed.

KEY WORDS l evel of the material structure, image analysis, non- image analysis

材料科学的主要任务是研究材料，而研究材料必须以正确的研究方法为前提。

研究方法从广义来讲，包括技术路线、实验技术、数据分析等。具体来说，就是充分了解研究对象所处的现状的基础上，根据具体目标，详细制定研究内容、工作步骤及所采用的实验手段，并将实验获得的数据进行数学分析和处理，最后得出规律或建立数学模型。其中，技术路线的制定是至关重要的，实验方法的选择也是非常关键的。譬如说，虽然制定出完整的技术路线，但若没有相应的实验方法或先进的测试手段与之对应，则难以达到预期的目的；反过来，若仅有先进的测试手段，而没有正确的技术路线，也同样难以达到预期目的。两者相辅相成，缺一不可。

从狭义上来说，研究方法就是某一种测试方法。如X射线衍射分析、电子显微技术、红外光谱分析等，包括实验数据（信息）获取和分析。因为每一种实验方法均需要一定的仪器，所以也可以说，研究方法指测试材料组成和结构的仪器方法。

图1 材料结构分析研究方法

Figure 1 Aalysis Methods of Mterial Structure

如图1 (参考［1］) 所示，材料的组成和结构的测试方法有多种，应根据不同的应用场合进行选择。材料的结构，是指材料系统内各组成单元之间的相互联系和相互作用方式。材料的结构从存在形式上来讲，无非是晶体结构、非晶体结构、孔结构及它们不同形式且错综复杂的组合或复合；而从尺度上来讲，又分为微观结构、亚微观结构、显微结构和宏观结构等四个不同的层次。每个层次上观察所用的结构组成单元均不相同。

材料层次大体上是按观察用具或设备的分辨率范围来划分的，如宏观与显微结构的划分以人眼的分辨率为界，显微结构和亚显微结构的划分以光学显微镜的分辨率为界，亚显微结构和微观结构的分界相当于普通扫描电子显微镜的分辨率。

表1 材料结构层次的划分及所用观察设备

Table 1 Classification and Observation Equipment of Material Structure Level

除宏观结构可直接用肉眼观察外，其他层次结构的研究手段一般需要借助仪器。仪器分析按信息形式可分为图像分析法和非图像分析法；按工作原理，前者主要是显微术，后者主要是衍射法和成分谱分析。显微术和衍射法均基于物理方法，其工作原理是以电磁波（可见光、电子、离子和X射线等）轰击样品激发产生特征物理信息，这些信息包括电磁波的透射信息、反射信息和吸收信息（图2 (参考［2］) ），将其收集并加以分析从而确定物相组成和结构特征。基于这种物理原理的具体仪器有光学显微镜、电子显微镜、场离子显微镜、X射线衍射仪、电子衍射仪、中子衍射仪。

图2 样品特征物理信息示意图

图像分析法是材料结构分析的重要研究手段，以显微术为主体。光学显微术是在微米尺度观察材料结构的较普及的方法，扫描电子显微术可达到亚微观结构的尺度，透射电子显微术把观察尺度推进到纳米甚至原子尺度（高分辨电子显微术可用来研究原子的排列情况）。图像分析法既可根据图像的特点及有关的性质来分析和研究固体材料的相组成，也可形象地研究其结构特征和各项结构参数的测定。其中最有代表性的是形态学和体现学研究。形态学是研究材料中组成相的几何形状及其变化，进一步探究它们与生产工艺及材料性能间关系的科学。体视学是研究材料中组成相的二维形貌特征，通过结构参数的测量，确定各物相三维空间的颗粒的形态和大小以及各相百分含量的科学，它需借助于辅助接口将显微镜与其他电子仪

器及计算程序结合起来，构成自动的结构图像分析系统。

场离子显微术利用被检测材料做成针尖表面原子层轮廓边缘的电场不同，借助惰性气体离子轰击荧光屏可以得到对应原子排布的投影像，也达到原子尺度的分辨率。20世纪80年代中期发展起来的扫描隧道显微镜和原子力显微镜，在材料表面的高度方向和平面方向的分辨率分别达到0.05nm和0.2nm，为材料表面的表征技术开拓了新的领域。电子显微术还可与微区分析方法（如电子探针显微分析、波谱、能谱等）相结合，定性甚至定量研究材料的化学组成及其分布情况。

如前所示，非图像分析法分为衍射法和成分谱分析，前者主要用来研究材料的结晶相及晶格常数，后者主要测定材料的化学成分。

（1）衍射法

衍射法包括X射线衍射、电子衍射和中子衍射等三种分析方法。无机非金属材料的结构测定仍以X射线衍射法为主。这一技术包括德拜粉末照相，背发射和透射劳厄照相，高温、常温、低温衍射仪法，四圆衍射仪等。X射线衍射分析物相较简便、快捷，适于多相体系的综合分析，也能对尺寸在微米量级的单颗晶体材料进行结构分析。由于电子与物质的相互作用比X射线强4个数量级，而且电子束又可以在电磁场作用下会聚得很细小，所以微细晶体或材料的亚微米尺度结构测定特别适于用电子衍射来完成。与X射线、电子受原子的电子云或势场散射的作用机理不同，中子受物质中的原子核的散射，所以轻重原子对中子的散射能力差别比较小，中子衍射有利于测定材料中轻原子的分布。总之，这三种衍射法各有特点，应视分析材料的具体情况作选择。不过目前中子衍射仪价格较高，只有少数实验室能进行试验。

（2）成分谱分析

成分谱用于材料的化学成分分析，成分谱种类很多：①光谱，包括紫外光谱、红外光谱、荧光光谱、激光拉曼光谱等。光谱分析技术是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或者散射辐射的波长和强度进行材料分析的技术，可分为原子光谱和分子光谱原子光谱分为原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法以及X射线荧光光谱法等。分子光谱包括紫外—可见光光度法、红外光谱法、分子荧光光谱法和分子磷光光谱法。（［2］）②色谱，包括气相色谱、液相色谱、凝胶色谱等；③热谱，包括差热分析仪、热重分析仪、示差扫描量熱计等；此外，还有原子吸收光谱、质谱。与此不同的是用于表面分析的能谱和探针，前者有X射线光电子能谱、俄歇电子能谱等，后者包括电子探针、原子探针、离子探针、激光探针等。另有一类谱分析是基于材料受激发的发射谱与具体缺陷附近的原子排列状态密切相关的原理而设计的，如核磁共振谱、电子自旋共振谱、穆斯堡尔谱、正电子湮没分析等。

参考文献

[1] Wang P M，Xu Q W. Research Methods of Materials. Beijing: Science Press,2005:3

(王培铭，许乾慰.材料研究方法.北京：科学出版社，2005:3)

[2]Zhu H G, Wang H Z. Timber Materials Science and Testing Methods. Nanjing: Southeast University Press, 2008:300

(朱和国，王恒志.材料科学研究与测试方法.南京：东南大学出版社，2008:300)

材料科学研究方法 江苏大学

2013材料科学与研究方法复习题 一、名词解释(5题，15%) 材料、材料是指具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质。 材料科学与工程、材料科学与工程学科以数学、力学及物理、化学等自然科学为基础，以工程学科为服务和支撑对象，是一个理工结合、多学科交叉的新兴学科，其研究领域涉及自然科学、应用科学和工程科学。 移植法、指讲某学科的原理，方法或技术等应用于研究和解决同一学科内的分支科学或其他学科和技术或方法问题，又称转域创造法。 原型启发法、对自然现象进行观察、探索受到启发来进行科学研究和创造发明的。起启发作用的事物称为原型 耗散结构、指从环境中输入能量或（和）物质，使系统转变为新型的有序状态，即这种形态依靠不断地耗散能量或（和)物质来维持。 蠕变是指金属在恒定应力作用下，随着时间的延长发生的缓慢而持续的形变( 非弹性变形). 超塑性、材料在特定的组织状态(如超细晶或复合材料) ，在一定温度和形变速率下表现出极高塑性的现象。 仿生学、指原型启发法中的原型为自然界的动植物或自然现象，从材料的观点研究生物材料的结构和功能特点，并用以设计和制造先进复合材料 材料设计、是依据积累的经验，归纳的实验规律和总结的科学原理制备预先确定目标性能材料的科学 多尺度材料模型、一般是由三个不同尺度的模型组成，即连续介质和介观层次，微观层次及原子层次材料模型。 材料设计专家系统、具有相当数量的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统 有限元法、有限元的基本思想是将结构物质看成是由有限个划分的单元组成的整体，以单元节点的位移或结点力作为基本未知量求解。 物理模型、对具有相同物理本质特征事物的抽象。在工程技术中，就是利用物理模型模拟实际系统的行为和过程的方法。 数值模拟、数值模拟是以实际系统和模型之间数学方程式的相似性为基础的

材料科学研究方法复习大纲参考答案

2012级《材料科学研究方法Ⅰ》复习大纲 一、 本学期各章所留作业的习题； 二、 补充思考题: 1.在UV-VIS 范围内，从原理上比较分子荧光、磷光的异同点，并比较它们的吸收现象。 电子从最低激发单线态S1回到单线态S0时，发射出光子称为荧光。 当电子从最低激发单线态S1进行间窜越到最低激发三线态T1,再从T1回到单线态S0时，发射出光子称为磷光。 2.什么是荧光淬灭？举例说明怎样利用荧光淬灭来进行化学分析？ 荧光分子与溶剂或其他溶质分子之间的相互作用，使荧光强度减弱的作用称为荧光淬灭。 3.在实际中，怎样区分荧光和磷光？ 荧光物质的荧光寿命一般为106 10~10 --s 。最长为610-s 。停止光照射荧光即熄灭；磷光波长较长，可达数秒至 数十秒，停止光照射后还会在短时间内发射。 4.比较荧光光谱法和紫外光谱法的仪器特点。 1、荧光有两个单色器，在样品池前设一激发单色器，光经激发单色器滤光后照射样品池，样品产生的荧光经过第二个单色器——发色光单色期后进入检测器； 2、为避免激发单色器的辐射光被检测，在垂直与入射光的方向测定荧光或磷光的相对强度。因此，发射单色器与激光单色器互成直角。 5.分子结构对分子荧光的影响主要主要有几个表现。环境对分子荧光的影响主要主要有几个表现。 分子结构：跃迁类型、共轭效应、取代基效应、结构刚性效应。 环境因素：溶剂效应、温度的影响、ph 的影响。 6. 苯甲醛能发生几种类型的电子跃迁？在近紫外区能出现哪几种吸收带？溶剂极性对紫外光谱有何影响 ？ 7.解释下列名词 （1）拉曼效应 在光的散射现象中的一种特殊效应，和X 射线散射的康普顿效应类似，光的频率在散射后会发生变化，频率的变化决定于散射物质的特性。 （2）拉曼位移 拉曼位移，当激发光与样品分子作用时，如果光子与分子碰撞后发生了能量交换，光子将一部分能量传递给了样品分子或从样品分子获得一部分能量，从而改变了光的频率。 （3）拉曼光谱 拉曼散射的光谱。 （拉曼散射：散射光的频率与入射光的之差ν?是相同的，都等于分子振动跃迁能，这样的散射叫做拉曼散射） （4）斯托克斯线 在拉曼散射中频率低于入射光的射线称为斯托克斯线 （5）反斯托克斯线 在拉曼散射中频率高于入射光的射线成为反斯托克斯线

TEM在材料科学研究中应用的最新进展

TEM在材料科学研究中应用的最新进展 【摘要】本文主要介绍透射电镜在材料研究中中的应用与进展，通过目前TEN 的应用的范围确定其发展趋势，主要通过在材料领域的研究分析取得成果论述TEM的进展和重要作用，通过课堂学习和资料的收集对TEM的发展和应用进行简单总结和展望。 【关键词】透射电镜；材料研究；发展方向； 引言 材料是现代文明的三大支柱之一。在材料的开发研究的过程中，科研人员有了很多突破，也遇到很多困难。开发了新材料就需要分析它的结构和性能，这就离不开材料分析测试技术。从过去的成分分析和一般的结构分析, 发展到从微观和亚微观结构这两个层次上去寻找物质的功能与物质结构之间的内在关系, 寻找物质分子间相互作用的微观反应规律，这样。的发展对于材料的结构和功能的分析非常有利。 正文 有了透射电子显微技术（TEM）我们就能分析样品内部的精细结构，更加深入的观察和分析物质的结构和性能；有了扫描电子显微技术(SEM)我们的表面分析取得了突破性进展，电子束与物质作用产生的各种信号帮助我们进行不同方面的分析：原子衬度、表面形貌，微区分析，这些信号都有各自偏重方面的优势；有了X射线光电子能谱分析(XPS)，不仅能分析成分，还能分析化学态；有了扫描隧道显微技术(STM)，可直接观察样品表面发生的物理或化学反应的动态过程及反应中院子的迁移过程……我结合课堂说所了解的知识和网上的资料对近年来的TEM在材料科学中研究应用的最新进展进行简要的汇总和展望。 透射电子显教分析方法是通过透射电子显微镜(TEM-Transmissim Eleetron Microscope)进行的。透射电镜具有最高的分辨率，如H一8O0透射电镜，分辨率可达1.4?，所以它是最微分析的重要手段之一。 TEM在材料科学研究中的6个常见用途。 (a)利用质厚衬度(又称吸收衬度)像,对样品进行一般形貌观察; 纳米材料的形貌观测 文献①用控制沉淀法制备了不同形貌的碳酸钙微粉，用SEM和TEM分别对其进行了表征，并在此基础上讨论了影响产品晶形和形貌的主要因素，以期能更好地理解碳酸钙微粉的成核与生长机理。文献②报道了利用脉冲激光

材料科学研究方法概述

材料科学研究方法概述 一．材料的定义、特点与分类 1.定义 物质经材料合成或材料化后才成为材料，材料具有指定工作条件下使用要求的形态和物理状态的物质。 2.分类 材料按物理化学属性可分为：金属、无机非金属、高分子材料、复合材料； 按来源可分为：天然材料和人造材料； 按用途可分为：功能材料和结构材料； 按状态可分为：气态、固态和液态。 3.材料的几大效应 （1）材料的界面效应 材料的界面有晶界、相界、亚晶界、孪晶界等。材料的力学性能、物理性能及化学、电化学性能都与材料的各种界面有着非常密切的关系。材料的形变、断裂与失效过程，起源于各种界面的占了大部分，材料加工过程中的各种变化也基本上都与界面有关。界面的研究在材料科学中有着重要的地位。不同材料的界面有以下几种效应。 A.分割效应。是指一个连续体被分割成许多小区域，其尺寸大小、中断程度、分散情况等对基体力学性能及力学行为的影响； B.不连续效应。界面上引起的结构、物理、化学等性质的不连续和界面摩擦出现的现象，如电阻、介电特性、耐热性、尺寸稳定性等； C.散射和吸收效应。界面处对声波、光波、热弹性波、冲击波等各种波产生的散射和吸收，影响材料的透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等； D.感应效应。界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力及由此产生的某些现象，如高的弹性、低的热膨胀性、耐热性等。 界面问题涉及界面两侧原子的对势、电子态和电子结构、界面原子键合的性质、结合能、界面两侧晶体结构和界面晶体结构的关系、界面切变模量、界面位错形核与反应、环境对界面过程的影响等多方面的问题。界面的热力学、界面偏析、界面扩散、界面化学反应等都是材料科学中的重要问题，特别是纳米材料的界面及其新的效应、复合材料的界面更是现代材料科学研究中的热点。（2）材料的表面效应 晶体表面也是材料界面的一种，只是材料的固体表面和周围介质（气体、液体）的界面。材料表面的原子、分子或离子具有未饱和键，并且由于结构的不对称而造成晶格畸变，所以材料表面都具有很高的反应活性和表面能，而且具有强烈降低其表面能，力求处于更稳定能量状态的倾向。（3）材料的复合效应 复合材料具有的复合效应主要有线性效应和非线性效应。线性效应有平均效应、平行效应、相补效应、相抵效应等；非线性效应有相乘效应、诱导效应、共振效应、系统效应等。一般结构复合材料具有线性效应，但很多功能复合材料则可利用非线性效应创造出来，最明显的是相乘效应。（4）材料的形状记忆效应 具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。 （5）材料的动态效应 各类材料的失效大都是由量变到质变的动态过程。加强对失效动态过程的分析研究，才能更深刻地揭示材料的失效机理及其控制因素。 （6）材料的环境效应

研究生材料科学研究与分析方法电镜部分复习重点

电镜部分重点复习内容： 1．根据衍射分辨率的公式，并给出各参数物理意义？分别说明提高光学显微镜和透射电子显微镜的方法和途径？ 答： 衍射分辨率的公式为：α λsin 61.00n r ≈?，其中λ为入射光的波长；n 为样品与物镜之间介质的折射率；α为孔径半角。 对于具体某一光学显微镜来说：其λ不能改变，故提高其分辨率可以增大n 和α的值。 对于具体某一透射电子显微镜来说：其n 值不能改变，故提高其分辨率可以减小λ以及增大α值，不过α值的改变量很小。 2．解释景深和焦长，并说明电磁透镜景深和焦长主要受哪些因素影响? 答： 景深定义：当像平面固定时(像距不变),能维持物像清晰的范围内, 允许物平面(样品)沿透镜主轴移动的最大距离Df 。 焦长定义：固定样品的条件下（物距不变），象平面沿透镜主轴移动时仍能保持物像清晰的距离范围，用DL 表示。 景深ααr r D f ??≈=0 02tan 2，因此影响景深的因素是电磁透镜的分辨率 r ?0和孔径半角α。焦长M r D L 202α?=，因此影响焦长的因素是电磁 透镜的分辨率r ?0，放大倍数M 以及孔径半角α。

3．解释电子显微镜的像差有哪些，如何减少像差？ 包括球差、像散以及色差。 答： 减小球差可以通过减小球差系数C S和电磁透镜的孔径半角 。 消除像散的方法是可以安装消像散器。 减小色差的方法是可以通过稳定加速电压和透射电流来减弱。4．AFM的工作模式及各自优缺点？ 答： 三种操作模式 1.接触模式； 针尖与样品表面距离小（＜1nm），利用原子间的极微弱的排斥力（10e-8～10e-6N ); 可获得高解析度图像; 样品变形，针尖受损; 不适合表面软的材料. 2.非接触模式; 针尖距样品表面5nm—20nm 不损伤样品表面和针尖，可测试表面柔软样品; 分辨率低;

材料科学研究的基本方法与规律

材料科学研究的基本方法与规律 摘要本文首先从广义和狭义上对材料研究方法进行了定义，从材料的组成和结构出发，根据不同的应用场合和不同的结构层次对材料进行层次划分。对非宏观层次的材料按信息形式分为图像分析法和非图像分析法，并对它们进行了阐述和讨论。 关键词材料结构层次，图像分析法，非图像分析法 Methods and Rules of Materials Science Research LIU Chensi Sochow University, Mechanical and Electrical Engineering ABSTRACT In this paper, materials research methods from the broad and narrow are defined at first, then according to different applications and different structural levels of materials the material composition and structure of the hierarchy divided. Forms of information into non-macro-level materials are divided into image analysis and image analysis, and they are elaborated and discussed. KEY WORDS l evel of the material structure, image analysis, non- image analysis 材料科学的主要任务是研究材料，而研究材料必须以正确的研究方法为前提。 研究方法从广义来讲，包括技术路线、实验技术、数据分析等。具体来说，就是充分了解研究对象所处的现状的基础上，根据具体目标，详细制定研究内容、工作步骤及所采用的实验手段，并将实验获得的数据进行数学分析和处理，最后得出规律或建立数学模型。其中，技术路线的制定是至关重要的，实验方法的选择也是非常关键的。譬如说，虽然制定出完整的技术路线，但若没有相应的实验方法或先进的测试手段与之对应，则难以达到预期的目的；反过来，若仅有先进的测试手段，而没有正确的技术路线，也同样难以达到预期目的。两者相辅相成，缺一不可。 从狭义上来说，研究方法就是某一种测试方法。如X射线衍射分析、电子显微技术、红外光谱分析等，包括实验数据（信息）获取和分析。因为每一种实验方法均需要一定的仪器，所以也可以说，研究方法指测试材料组成和结构的仪器方法。

2016级材料科学研究方法

2016级材料科学研究方法Ⅱ复习攻略 考试时间及地点：6月27日星期一13:50-15:30 第二公共教学楼A区A215材料1303-4 答疑时间：6月23日星期四 答疑地点：李伟老师科研中心B110（电子显微分析） 李先锋老师科研中心B108（X射线衍射技术） 付维贵老师科研中心B201（热分析） 题型及形式：闭卷考试；填空20分20题；判断10分10题；简答40分；名词解释6题，每题5分，共30分。 正确的打开方式：下划线部分或加粗体部分为老师上课反复强调内容、课堂测验题或课后作业题。 一、X射线技术应用 1.X射线的本质：X射线本质上是一种具有较短波长的高能电磁波，具有波粒二象性。 波动性：具有一定的频率和波长。粒子性：光子数可计。 2.X射线的产生和发现 发现：1895年11月8日伦琴在实验中发现：当克鲁克斯管接高压电源，会放射出一种穿透力极强的射线，他命名为X射线。 产生：高速运动的带电粒子撞击到任何物质时，电子的运动突然受阻失去动能，发生能量交换，从而产生X射线(产生条件：a.产生自由电子；b.使电子作定向的高速运动?c.在其运动的路径上设置一个障碍物，使电子突然减速或停止) 3.X射线的类型： ①连续X射线(多色X射线):具有连续波长X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似.产生机理：能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，由此产生连续X 射线谱。 ②标识X射线（特征X射线，单色X射线）：是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线 产生机理：与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式释放多余的能量辐射

计算机在材料科学中的应用

材料与化工学院 2012级材料科学与工程一班 课程作业：计算机在材料科学中的应用学生姓名：张硕

学生学号：20120413310040 授课老师：陈大明 摘要 VASP是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。它是目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一。（1）它在材料学中有广泛的运用，具有很高的使用价值。Vasp仍在不停开发中，有更多更有用的功能将会被人们开发，这会使人们对材料的研究更加透彻。 关键词 Vasp 电子结构计算和量子力学-分子动力学材料模拟物质科学 一．简介 VASP是维也纳大学Hafner小组开发的进行电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包。它是目前材料模拟和计算物质科学研究中最流行的商用软件之一。Vasp是基于castep（Cambridge Sequential Total Energy Package 的缩写是一个基于密度泛函方法的从头算量子力学程序）1989版开发的。 VASP通过近似求解Schr?dinger方程得到体系的电子态和能量，既可以在密度泛函理论（DFT）框架内求解Kohn-Sham方程(已实现了混合（hybrid）泛函计算)，也可以在Hartree-Fock（HF）的近似下求解Roothaan方程。此外，VASP也支持格林函数方法（GW准粒子近似，ACFDT-RPA）和微扰理论（二阶M?ller-Plesset）。 VASP使用平面波基组，电子与离子间的相互作用使用模守恒赝势（NCPP）、超软赝势（USPP）或投影扩充波（PAW）方法描述。 VASP使用高效的矩阵对角化技术求解电子基态。在迭代求解过程中采用了Broyden和Pulay密度混合方案加速自洽循环的收敛。VASP可以自动确定任意构型的对称性。利用对称性可方便地设定Monkhorst-Pack特殊点，可用于高效地计算体材料和对称团簇。Brillouin区的积分使用模糊方法或Bl?chl改进的四面体布点-积分方法，实现更快的k 点收敛。（2） vasp中的方法基于有限温度下的局域密度近似（用自由能作为变量）以及对每一MD 步骤用有效矩阵对角方案和有效混合求解瞬时电子基态。这些技术可以避免原始的方法存在的一切问题，而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的方法。离子和电子的相互作用超缓Vinderbilt赝势(US-PP)或投影扩充波(PAW)方法描述。两种技术都可以相当程度地减少过渡金属或第一行元素的每个原子所必需的平面波数量。力与张量可以用很容易地计算，用于把原子衰减到其瞬时基态中。

计算材料学

计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。 计算材料学- 学科介绍 计算材料学（Computational Materials Science），是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。因此，计算材料学是连接材料学理论与实验的桥梁。 计算材料学- 研究领域 材料的组成、结构、性能、服役性能是材料研究的四大要素，传统的材料研究以实验室研究为主，是一门实验科学。但是，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，只对微米级的显微结构进行研究不能揭示材料性能的本质，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次。因此，材料研究越来越依赖于高端的测试技术，研究难度和成本也越来越高。另外，服役性能在材料研究中越来越受到重视，服役性能的研究就是要研究材料与服役环境的相互作用及其对材料性能的影响。随着材料应用环境的日益复杂化，材料服役性能的实验室研究也变得越来越困难。总之，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代 新材料研究和发展的要求。然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，也可以模拟超高温、超高压等极端环境下的材料服役性能，模拟材料在服役条件下的性能演变规律、失效机理，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。因此，在现代材料学领域中，计算机“实验”已成为与实验室的实验具有同样重要地位的研究 手段，而且随着计算材料学的不断发展，它的作用会越来越大。 计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发 展密切相关的。从前，即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算，如材料的量子力学计算等，现在使用微机就能够完成，由此可以预见，将来计算材料学必将有更加迅速的发展。另外，随着计算材料学的不断进步与成熟，材料的计算机模拟与设计已不仅仅是材料物理以及材料 计算理论学家的热门研究课题，更将成为一般材料研究人员的一个重要研究工具。由于模型与算法的成熟，通用软件的出现，使得材料计算的广泛应用成为现实。因此，计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料工作者必备的 技能之一。 计算材料学涉及材料的各个方面，如不同层次的结构、各种性能等等，因此，有很多相应的计算方法。在进行材料计算时，首先要根据所要计算的对象、条件、要求等因素选择适当的方法。要想做好选择，必须了解材料计算方法的分类。目前，主要有两种分类方法：一是按理论模型和方法分类，二是按材料计算的特征空间尺寸(Characterist ic space scale)分类。材料的性能在很大程度上取决于材料的微结构，材料的用途不同，决定其性能的微结构尺度会有很大的差别。例如，对结构材料来说，影响其力学性能的结构尺度在微米以上，而对于电、光、磁等功能材料来说可能要小到纳米，甚至是电子结构。因此，计算材料学的研究对象的特征空间尺度从埃到米。时间是计算材料学的另一个重要的参量。对于不同的研究对象或计算方法，材料计算的时间尺度可从10-15秒（如分子动力学方法等）到年（如对于腐蚀、蠕变、疲劳等的模拟）。对于具有不同特征空间、时间尺度的研究对象，均有相应的材料计算方法。 目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法，分子动力学方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。 计算材料学是目前材料科学中发展最快的科目。随着大量的论文发表和科研材料的科学家数量的快速增加，现在已有条件检验计算材料学对材料科学的影响。可以回顾以下计算机模拟在新材料的发展上起过什么作用，或许更重要的是，总结在材料性能的基础研究方面有哪些突破应该归公与计算机模拟。 有意思的是，人们对模拟方法的期望竟产会超过实际的结果，然而这些过高的期望往往更多来自非专业认识而不是那些正在做这些工作的饿人。如果问一个从事计算材料学的人关于现在使用的方法，他回非茶馆内谨慎地回答：尽管我们的方法很可靠，但仍需要大的发展。这些方法有欠缺并不奇怪，计算材料学只有几十年的历史。因此，我们在关注它现今的地位时，必须同样关注仿镇与建模的可靠性。这门年轻的学科，已经有诸多长足的发展，涉及到许多包含多种距离尺度的现象。 也许最原始的计算材料学是计算固体的电子结构。这些计算显然已经非常成功地表述了材料的结构和性质。现在，对于许多晶体材料，预计的点阵常数和实验值仅相差百分之几。最近的弹性常数计算方法得到了与实验值非常吻合的结果，而且实行起来也比实验容易得多。多体理论的发展，使得目前已能对简单半导体禁带宽度进行预测。 但是，基于这样一些成果，电子结构计算往往表述得似乎比实验值更精确。实际上，着些计算含有很多近似，而且很容易发生误导而得到错误的结论。此外，近似法限

计算材料学进展与趋势

计算材料学进展与趋势 计算材料学是近20年来，随着计算科学与技术的飞速发展，材料科学与物理、化学、数学、工程力学诸多学科相互交叉与渗透产生的一门新兴学科。计算材料学的内涵可以粗略概括为：根据材料科学和相关科学基本原理，通过模型化与计算实现对材料制备、加工、结构、性能和服役表现等参量或过程的定量描述，理解材料结构与性能和功能之间的关系，引导材料发现发明，缩短材料研制周期，降低材料过程成本。 根据研究对象的空间和时间尺度不同，材料计算的方法也有很大差别：研究材料的电子结构的方法有基于密度泛函理论的第一原理，常见的有计算固体材料的周期性体系的能带计算方法和孤立体系如分子簇方法，这些方法主要用于求解体系的基态电子结构和性质，近年来也发展了一些用以研究含时间的或激发态的电子结构方法。第一性原理方法由于直接基于基本的物理原理而不依赖于经验参数，因而具有很强的预测性，在未来合成材料之前先预测其可能的性质，因而对材料的设计具有很强的指导意义，近年其应用得到迅速发展，如金属中合金化效应的预测、金属间化合物中合金原子占据位置的预测、缺陷复合体的电子结构与性质的预测等，但由于其计算中考虑了电子的自由度，其运算量极大，所能研究的体系的尺度很小；在原子层次上研究材料行为常常采用原子力学或分子动力学方法，这些方法考虑原子间以一定的势函数相互作用，忽略了电子的自由度，可对更大的体系进行计算模拟，并可对静态或动态的原子机制提供了有效的途径；介观层次上对体系的模拟近年来有较快的发展，如合金中的相变微观组织演化过程可采用相场动力学或原胞自动化方法，这些方法使人们能够定量地描述不同过程中的组织变化的动力学规律，探索不同因素对微观组织形成的作用；宏观层次上的计算模拟常常采用有限元和有限差分方法，这些方法已经被广泛用语解决材料工程的实际问题，可为实际工艺的设计提供定量化的指导。对于不同的过程其发生的时间尺度也是迥然不同的，相应需要采用不同的模拟方法。对于许多材料的性质，常常由几个层次的结构来决定，因而近年来将不同方法结合起来的多尺度方法受到广泛的重视。关于近年来材料模拟的全面发展和具体研究方法可参考文献（YIP S(editor). Handbook of Materials ,New York: Springer,2005）。计算材料学的最终目标是实现新材料设计和材料制备与加工相关工艺的优化。 进展 美国 在关键材料集成设计基础研究方面，美国21世纪初启动了著名的“材料加速熟化”计划，组织了数十家产学研机构，选定喷气发动机用高温金属材料和飞机用先进复合材料两大目标，针对共性基础问题和难点问题，开展计算模拟与实验验证密切结合的集成设计与研制，其总目标是加速材料熟化，使新材料从启动研究到工程应用的周期缩短1/2，总成本降低1/3。该计划列出了需重点研究的材料集成设计相关基础问题，如1跨尺度计算模拟的关联方法；2金属—金属界面结构与物理性质及环境影响；3复杂合金体系中微观组织演化动力学4多晶体塑性与应力状态的动力学描述。 美国西北大学G.B.Olson等人采用多层次计算模拟方法，发展了由纳米晶粒计算直至结构性能预测的自下而上耦合程序，先后设计出性能优异的航天飞机轴承用耐热碳钢和新型高强度飞机起落架（OLSON G https://www.sodocs.net/doc/366688070.html,putational design of

材料科学研究方法复习题

复习题（2015） 1、归纳与演绎法、分析与综合法、类比与移植法、系统与优化法、假说与理论法，特别注意各研究方法的特点、分类及事例应用等。 归纳与演绎法：归纳是从特殊到一般；演绎是从一般到特殊。 （1）归纳法：通过简单枚举某类事物中的一部分对象都具有某种属性，而又没有观察到相反的事例，由此推及全体,概括出该类事物的所有对象都具有此种属性。分类：（Ⅰ）完全归纳法（Ⅱ）不完全归纳法：①简单枚举法②科学归纳法：Ⅰ求异法Ⅱ求同法Ⅲ同异并用法Ⅳ剩余法Ⅴ共变法。 （2）演绎法：从已知的一般原理、定理、法则、公理或科学概念出发，推论出某些事物或现象具有某种属性或规律的新结论的一种科学研究方法。 1.归纳与演绎之间是一个辩证的关系，是一个对立统一的关系。 2.两者相互联系，相互依赖，相互补充和相互渗透。 3.归纳和演绎在一定条件下会互相转化。 分析与综合法：（1）分析的作用与特点：分析就是把研究对象分解成几个组成部分，然后分别加以研究，从而认识事物的基础或本质的一种科学研究方法。分析方法是以客观事物的整体与部分的关系为客观基础的。在于它从事物的整体深入到它的各个组成部分，通过深的认识事物的各个组成部分来认识事物的内在本质或整体规律。（2）综合的作用与特点：综合方法：把研究对象的各个部分联系起来加以研究，从而在整体上把握事物的本质和规律的一种科学研究方法。综合方法在思维方式上的特点:它把事物的各个部分连接为整体时，力求通过全面掌握事物各部分、各方面的特点以及它们之间的内在联系，然后加以概括和上升，从事物各部分及其属性、关系的真实联结和本来面目，复现事物的整体，综合为多样性的统一体。 类比与移植法：（1）类比法：通过两个或两类事物或现象进行比较，根据相似点或相同点推论出它们的其他属性或规律，也可能有相似点或相同点的结论。这是以比较为基础，既包含从特殊到特殊，又包含从一般到一般的逻辑思维方法。分类：①数学相似类比法：根据对象的属性之间具有某种确定的函数变化关系来进行推理。②因果类比法：根据两个对象的各自属性之间都可能具有同一种因果关系而进行推理。③综合类比法：根据对象属性的多种关系的综合相似而进行的推理。④对称类比法：根据对象的属性之间具有对称性而进行的推理。⑤剩余类比法(2)移植法：将某学科的原理、方法或技术等应用于研究和解决同一学科内的分支科学或其他学科和技术领域的理论、技术或方法问题，又称为转域创造法。它是通过横向、纵向联想和类比等方法进行的。移植法的特点:具有显著的创新性，具有综合性。移植法的类型:①技术移植创新法②原理移植创新法③方法移植创新法④综合移植创新法 系统与优化法：系统方法：从系统整体的观点出发，从系统与要素之间，要素与要素之间，以及系统与环境之间的相互联系、相互作用中考察对象，以达到最优化地处理问题的科学方法。系统的特性和原则：①整体性——整体是由部分组成的，是有机的结合，其本质是整体与部分的统一，整体的功能不等于它的各个组成部分功能总和②最优化——从多种可能的途径中，选择出最优的系统方案，使系统处于最优状态③模型化——由于系统比较复杂难于直接进行分析和实验，所以一般都要设计出系统模型来代替真实系统，通过对系统模型的研究来掌握真实系统的本质和规律。

计算材料科学中桥域多尺度方法的若干进展

收稿日期:2004-12-03;修改稿收到日期:2005-04-061 基金项目:国家自然科学基金(50475146);教育部高等学校博士 学科点专项科研基金(20030699035);西北工业大学博士论文创新基金(CX200312)资助项目1 作者简介:张 征(1979-),男,博士生; 刘 更*(1961-)男,博士,教授,博士生导师; 刘天祥(1976-)男,博士生; 崔俊芝(1938-)男,研究员,博士生导师,中国工程院院士1 第23卷第6期2006年12月 计算力学学报 C hinese Journal of C omputational Mechanics V ol.23,N o.6December 2006 文章编号:1007-4708(2006)06-0652-07 计算材料科学中桥域多尺度方法的若干进展 张 征1, 刘 更*1, 刘天祥1, 崔俊芝2 (1.西北工业大学机电学院,西安710072, 2.中国科学院数学与系统科学院,北京100080) 摘 要:材料科学中存在固有的多尺度特性,桥域多尺度方法是在宏观尺度(如连续介质力学)中引入不同的细微观尺度的计算区域,乃至纳米尺度的分子动力学、量子力学计算区域,将不同尺度的研究方法通过一定的数学模型耦合在一起。该方法既能节约计算成本,又能保证所研究问题的物理特性。本文对多尺度方法的基本概念、跨尺度桥域多尺度方法的发展、基本原理、耦合方法和离散方程进行了讨论,给出了几个应用算例,并在最后进行了总结,展望了今后的可能发展方向。 关键词:多尺度方法;桥域多尺度方法;连续介质力学;分子动力学;量子力学中图分类号:O 34 文献标识码:A 1 多尺度方法及其进展 空间和时间的多尺度现象是材料科学中材料变形和失效的固有现象[1],多尺度方法是考虑空间和时间的跨尺度与跨层次特征,并将相关尺度耦合的新方法[2],是求解各种复杂的计算材料科学和工程问题的重要方法和技术。对于求解与尺度相关的各种不连续问题,复合材料和异构材料的性能模拟,以及需考虑材料微/纳观物理特性、晶格位错等问题,多尺度方法相当有效。多尺度方法按建模方式可分为:递阶多尺度方法(H ierarchical M ult-i Scale M ethod)和并发多尺度方法(Concurrent Mult-i Scale M ethod) [3] 。 递阶多尺度方法较为简单,即通过一个适当的参数,实现不同层次模拟之间的递阶转换。它通过在宏观连续模型中嵌入相对独立的计算区域,而引入多种求解方法和多种材料模型。但由于按细微观尺度(fine scale)得到的参数是通过研究简单样本获得的,不能够准确描述研究对象的整体特征, 因此发展了并发多尺度方法。 并发多尺度方法则是在一个计算实验中同时考虑多个不同的模拟层次,即在连续介质模型的计算区域中同时引入介观、微观,甚至纳米尺度离散粒子的计算区域,其相互之间的耦合通过建立一定的数学关系加以实现,如桥域分解方法(Bridging Dom ain Decom position Method)则是通过重叠子区域将分子动力学与连续介质力学进行联接 [1,3~7] ,在局部求解域采用分子动力学模拟更能 准确描述研究对象的物理特性,在周围区域通过桥域与连续介质力学区域联接,在保证计算精度的情况下大大降低了计算量。 关于连续介质力学的多尺度方法,Liu 等人 [8,9] 将小波分析与再生核粒子方法RKPM (Re - pro ducing Kernel Par ticle M ethod)相结合,对小波变换与RKPM 之间的关系进行了全面研究,提出了多尺度再生核粒子方法Mult-i scale RKPM (Mult-i scale Reproducing Kernel Particle Method )[10,11],并对其收敛性作了研究。在应用方面,Liu 等人[12,13]和U ras 等人[14]用多尺度RKPM 自适应计算方法求解了结构声学问题;Chen [15],Jun [16]和Liu 等人[17]用多尺度RKPM 求解了大变形问题。国内,崔俊芝等人[18,19]提出了基于双尺度渐近展开的多尺度分析方法,解决了周期性复合材料和周期性随机分布复合材料的多尺度耦合问题。

计算材料学的现实重要性

计算材料学的现实重要性 【摘要】随着科学技术的发展，科学研究的体系越来越复杂，传统的解析推导 方法已不敷应用，甚至无能为力。计算机科学的发展和计算机运算能力的不断 提高，为复杂体系的研究提供了新的手段。计算材料科学的发展无论是在理论 上还是在实验上都使原有的材料研究手段得以极大的改观。它不仅使理论研究 从解析推导的束缚中解脱出来，而且使实验研究方法得到根本的改革，使其建 立在更加客观的基础上，更有利于从实验现象中揭示客观规律，证实客观规律。 【关键词】计算材料学、计算模拟、材料的及计算机设计、传统方法、计算机 应用 计算材料学，是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展 的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的 学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。它涉及材料、物理、计算机、数学、化学等多门学科。 随着科学技术的发展，科学研究的体系越来越复杂，传统的解析推导方法 已不敷应用，甚至无能为力。计算机科学的发展和计算机运算能力的不断提高，为复杂体系的研究提供了新的手段。以材料这样一个典型的复杂体系为研究对 象的新学科—计算材料科学也应运而生，并迅速得到发展。 对于复杂体系，由于理论研究往往不能给出解析表达，或者即使能够给出 解析表达也常常不能求解，因此也就失去了对实验研究的指导意义。反之，失 去了理论指导的实验研究，也只能在原有的工作基础上，根据科研人员的经验 理解、分析与判断，在各种工艺条件下反复摸索，反复实验。之所以造成理论 研究和实验研究相互脱节的根本原因并不在于理论和实验本身，而是由于人们 为了追求能够全面而准确地反映客观实际，使理论模型变得十分复杂，无法直 接解析求解。 研究体系的复杂性表现在多个方面，从低自由度体系转变到多维自由度体系，从标量体系扩展到矢量、张量系统，从线性系统到非线性系统的研究都使解析方法失去了原有的威力。因此，借助于计算机进行计算与模拟恰恰成为 唯一可能的途径。复杂性是科学发展的必然结果，计算材料科学的产生和发展

材料科学与工程专业考研专业全面解析

考研材料科学与工程专业：“小材料”大前途 材料科学与工程是21世纪国家重点发展领域，很多理工科院校设立了院系，是很多研考生青睐的热门。这个专业究竟有何特点?各研究生招生单位又有些什么不同特点?记者走进位于学科排名前列的北京科技大学、北京航空航天大学、北京工业大学等高校，走近材料学院和研究生院的相关教授，为考生揭开其神秘面纱。 学科特点：上天入地，无所不包 说到材料，一般人首先想到的是工业原材料，材料学研究似乎就是对材料的加工和制造成工业成品。 然而，记者采访中了解到，材料学不仅涉及国家重大项目建设，而且深入百姓生活，可谓“上天入地，无所不包”。 北航材料学院博士生导师、党委书记朱立群教授举起记者递过的名片说：“这也属于材料”。他又随手一指，说：“从我们身上的衣服、喝水的水杯，到家用的冰箱、燃气灶，再到航天器、高铁、地下的石油管道等国家重大项目或关系到国计民生的重要工程全都离不开材料学。” 材料科学与工程属于交叉学科。北工大材料学院教授、研究生院副院长汪浩说，它融合了物理、化学、机电、电子等多个学科领域。项目的完成过程涉及诸多细小环节。比如涉及理论计算，就需要物理学科的建模;涉及材料制备环节，就需要化学学科的实验研究或者制备技术;材料完成后要鉴定是否达到预期的结构和性能，就需要材料学科或者物理学科的测试技术;在制成后应用的过程中，又需要综合测试其性能。以上种种决定了学科的交叉与综合性质。 材料科学与工程专业研究生上学期间的实验在其课程中占一多半学时，有的学校会达到80%。学生们多数时间要在实验室里度过。在北航材料学院一楼，记者经同意走进了三个实验室。负责老师告诉我们，学生正在使用的投射电子显微镜价格达六七十万美元，一个扫描电子显微镜造价近百万美元。北航材料科学与工程学院党委副书记许慧远说：“在培养人才中创造知识，在创造知识中培养人才”，材料学专业的很多新知识来自实验，很多突破都在实验室完成，实验对这个专业的学生来说具有举足轻重的作用。 学科建设：各具特色，百花齐放 材料科学与工程专业范畴的广泛，决定了各校研究方向的多样性。 清华材料科学与工程系相关负责人介绍，该校材料学倾向于新型功能材料的研究，拥有新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室、先进材料教育部重点实验室等，拥有先进的现代材料制备平台和分析测试平台，拥有材料科学与工程一级学科与核燃料循环与材料二级学科的博士和硕士学位授予权。目前在校研究生超过本科生，博士和博士后人数之和超过硕士研究生。

材料科学研究的部分名词解释

一、名词解释 【材料科学与工程学科定义】材料科学与工程学科以数学、力学及物理、化学等自然科学为基础， 以工程学科为服务和支撑对象，是一个理工结合、多学科交叉的新兴学科，其研究领域涉及自然科学、 应用科学和工程科学。 【材料】材料是具有一定性能，可以用来制作器件、构件、工具、装置等物品的物质；材料是人 类用以做成有用东西的物质 【移植法】将某学科的原理、方法或技术用于研究分支科学或其它学科技术领域的理论、技术 或方法问题。它是通过横向、纵向联想和类比等方法进行的。所以和类比、联想法有密切联系或相 似。 【原型启发法】对自然现象进行观察、探索受到启发来进行科学研究和创造发明的。启发是从其 他失误、现象中得到启示后，找出解决某一问题的途径。起启发作用的事物称为原型 【散耗结构】指从环境输入能量或（和）物质，使系统转变为新型的有序状态，即这种形态依靠不断地耗散能量或（和）物质来维持。一个远离平衡的开放系统，在不断与外界交换物质和能量的过程中，自动从无序状态转化而形成的有序结构－非平衡有序结构。 【蠕变】指金属在恒定应力作用下，随着时间的延长发生的缓慢而持续的形变( 非弹性变形inelastic deformation)。某一温度和应力下蠕变性能合格的指标：100h和低于0.1%。 【超塑性】材料在特定的组织状态(如超细晶或复合材料) ，在一定温度和形变速率下表现出极高塑性的现象。衡量超塑性高低的指标：塑性高(100%或以上)，温度越低或形变速率越高。 【仿生学】从材料的观点研究生物材料的结构和功能特点，并用以设计和制造先进复合材料，是当前国际上一大热点 【材料设计】材料设计是依据积累的实验规律和总结的科学原理制备预先确定目标性能材料的科 学。 【多尺度材料模型】一般是由连续介质和介观层次、微观层次及原子层次材料模型组成。即连续 介质和介观层次（模型直径大于10-4m）微观层次（大约10-6m～10-4m）及原子层次（约10-10m～10-6m）材 料模型。 【材料设计专家系统】具有相当数量的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问 题的计算机程序系统 【有限元法】将结构物质看成是由有限个划分的单元组成的整体，以单元结点的位移或结点力 作为基本未知量求解。 【物理模型】对具有相同物理本质特征事物的抽象。在工程技术中，就是利用物理模型模拟实际系 统的行为和过程的方法。 【数值模拟】数值模拟是以实际系统和模型之间数学方程式的相似性为基础的。 【分子动力学方法】一种确定性方法，跟踪每个粒子的运动。求解所有粒子的运动方程，模拟原 子的路径相关的基本过程。

材料计算公式

材料订货排版要求 在编制材料订货料单以前，必须进行材料排版。排版时，应对设计图杆件进行编号，排版图中应有对应的杆件号，以便为今后核查使用。最后将排版料单和排版图、图纸编号图一并提交。 现将一些材料排版、订货要求简述如下： 一、材料订货 材料订货的最大尺寸限制（考虑钢厂制作和运输条件） 板材： 厚板（≥25mm）宽1~3米，长度2.5~12米； 中厚板（8~22mm）宽1~2.5米，长度2~12米； 薄板（4~7mm）宽1~2米，长度2~6米； 管材和型材：长12米以下。 重量计算 钢材比重取7.85。 钢板单重公式：W=7.85t，其中：W: kg/m2, t: 板厚，mm。 钢管单重公式：W= 0.02466 t*(D-t)，其中：W: kg/m, t: 壁厚，mm，D: 管外径，mm。 六角钢单重公式：W=0.0067983*2h，其中：h为两对边垂直距离，mm。 锥台展开公式：锥台展开后为扇形。锥台制作时，先将扇形一分为二，分别压制后再焊接成锥台。设锥台大口直径为D，小口直径为d, 母线斜角为β，现求展开扇形一半的型长。 则：外半径L=D/(2Sinβ)，内半径I=d/(2Sinβ)，圆心角α=180oSinβ。 锥台侧面积公式：S=Л(R1+R2)P, 其中，R1、R2为上下口半径，P为母线长。 二、部件展开计算 直径小于等于406的管材为无缝管；直径大于406的管材为有缝管，即直缝管，也称焊接管。 有缝管和锥台是由钢板卷制而成的。 对于管材，直径小于3米时，一般按单道焊缝考虑；直径大于3米时；可考虑两道纵缝，即由两半制成。本项目的吸力桶分两半制造。 对于锥台，无论直径大小，均由两半制成。 1.管材展开 展开计算时，按管材壁厚的中心计算。 2.锥台展开 展开计算时，按锥台壁厚的中心计算。 计算公式见上述。 三、材料排版 3.部件在钢板上排版时，一律从左上方排起，将余板甩在右下角，标出余板尺寸。 4.板四周要求留有20mm 板条余量以便下料时整边。 5.切割线消耗掉的板宽按2mm (板厚50以下)和5mm (板厚50以上)考虑。 6.给排版余量时，统一在排版后的右下角给出，禁止在部件间给出。