1、材料加工過程的數值模擬微觀組織數值模擬(I)任課教師: 王錦程Office：公字樓216Tel O)Email ： 宏觀模擬(Macro-)微觀模擬微觀模擬(Micro-)加工過程(Processing) 組織演化組織演化(Microstructure)溫度場應力場流場濃度場形態應力-應變方程能量方程動量方程連續性方程擴散方程？傳導對流輻射?？材料加工過程的數值模擬材料加工過程的數值模擬其他場l 基礎知識（2）微觀組織數值模擬簡介微觀組織數值模擬簡介計算材料學簡介計算材料學簡介相變理論基礎相變理論基礎熱力學基礎熱力學基礎課程安排l 相場法（5） 相場法基本原理及其應

2、用相場法基本原理及其應用 沉淀相析出沉淀相析出 再結晶過程再結晶過程 凝固過程凝固過程 l 元胞自動機（元胞自動機（2 2） 基本原理基本原理 模型模型 應用應用l 水平集法（水平集法（1 1） 基本原理基本原理 模型模型 應用應用主要參考書Dierk Raabe ，Computational Materials ScienceNikolas Provatas and Ken Elder, Phase-Field Methods in Material Science and Engineering相關最新參考文獻相關最新參考文獻微觀組織數值模擬簡介What is microstructure

3、?Why modeling and simulation?A micrograph of bronze revealing a cast dendritic structure What is microstructure?p 晶界、晶粒度、亞晶界p 相（形態、體積分數）p 晶體結構、晶體缺陷微觀組織 SCN-4%wt.% ACT 200 m DendritesEutecticsCellularPeritecticsMicrostructure is important.“微觀組織”是材料科學的核心。 劍橋大學教授R.W. Cahnp材料在加工和服役過程中的力學性能在很大程度上取決于材料加工過

4、程中形成的微觀組織p微觀組織將物理和化學中的晶體、原子結構及其基本作用規律有機結合在一起使得材料研究成為一門科學成分成分- -工藝工藝- -組織組織- -性能性能性能是目的，成分是基礎，組組織是表現形態織是表現形態，工藝是手段 The Materials TetrahedronM C Flemings & Praveen Chaudhari 1989Microstructure is important.This is an optical interference contrast micrograph that was taken with a Leica MEF 4A microscop

5、e equipped with a Sony DKC 5000 Camera.Microstructure is Beautiful.Zinc oxide single crystals Granulated Sugar白砂糖一種酪酸鹽日本-秋山実（Minoru Akiyama）攝影家Microstructure is Beautiful.酒石酸結晶隕石（Fe-Ni合金）Microstructure is Beautiful.Thymol 一種酚碳化硅Microstructure is Beautiful.硅鋼結晶硅Microstructure is Beautiful.鑄鐵Gallium鎵M

6、icrostructure is Beautiful.液晶材料金剛石Microstructure is Beautiful.納米碳管鎂合金表面磷酸鹽轉化膜Microstructure is Beautiful.Nonlinear dynamics of sand ripple formationMicrostructure is Amazing.Eutectic structures沙丘vs.共晶雪花vs.枝晶Microstructure is Amazing.STM 5-fold surface of i-Al-Pd-MnMicrostructure is Amazing.梯田vs.臺階組織

7、云南元陽梯田云南元陽梯田Island growth on Pt surface Microstructure is Amazing.斑紋vs.條帶、點狀組織螺形位錯引力和轉動的共同影響下形成星系的螺旋結構Microstructure is Amazing.星云vs.位錯Microstructure is Amazing.Morphological Similarity Connections ？各種形態的枝晶組織螺旋生長與自然形態Modeling是溝通是溝通理論與實驗理論與實驗、微微觀與宏觀觀與宏觀的橋梁的橋梁Why Modeling and Simulation?Characterizati

8、onAl-Cu枝晶二維形貌（橫/縱截面）Al-Cu合金等溫粗化?Why Modeling and Simulation? offer insight into the phenomenon of mic rostruc tur e evolution; i m p r o v e o u r understanding of the physics of materials processing alloy design; improvements in current technologies; development of new processes.Why Modeling and Si

9、mulation?計算材料學概述計算材料學簡介材料模擬中的多尺度 計算科學計算科學 應用科學應用科學 計算機計算機 硬硬/軟件軟件 數學數學 什么是計算科學？Moore定律（1965）：計算機的CPU速度每1.5年增加一倍“科學計算已經是繼理論科學、實驗科學之后，人類認識與征服自然的第三種科學方法”。計算機軟硬件條件的飛速發展為科學計算的廣泛應用提供了有力保證。 計算第三種科學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理論分析角度看過于復雜、過于困難，而從科學實驗角度看又過于昂貴、過于危險，甚至是無法進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

10、們認識世界的第三只眼睛計算科學至今尚未具備象理論、實驗與工程設計那些傳統方式可預測的可靠性 任何計算模型只是客觀真實事物的一個近似AdvantageDisadvantagep計算材料學定義 計算材料學是近年里飛速發展的一門新興交叉學科。它綜合了凝聚態物理、材料物理學、理論化學、材料力學、工程力學、應用數學、計算機算法等多個相關學科。本學科的目的是利用現代高速計算機，模擬材料的各種物理化學性質，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現象與特征，并對于材料的結構和物性進行理論預言，從而達到設計新材料的目的。經驗型（炒菜式）智能型（材料設計） p傳統的材料研究方法工藝尋優工藝尋優成本控制成本控制材料

11、制備材料制備性能表征性能表征服役行為服役行為新材料探索新材料探索系統集成系統集成性能優化性能優化經驗積累經驗積累循環試錯循環試錯l 以大量的材料制備為中心，強調經驗積累；l 被動的性能表征；l 經驗與不斷的循環試錯而提高性能：實驗尋優。p Silicon Agep Computational Materials by Design Age計算材料學p Stone Agep Bronze Agep Plastic Agep Iron Agep Industrial Agev通過模型化與計算實現對材料制備、加工、結構、性能和服役表現等參量或過程的定量描述v理解材料結構與性能與功能之間的關系v設計新

12、材料v縮短材料研制周期v降低材料制造過程成本“材料設計”是指通過理論與計算預測新材料的組分、結構與性能，或者通過理論設計來“定做”具有特定性能的新材料。p計算材料學內涵l 微觀設計層次：空間尺度約在l nm量級，是原子、電子層次的設計；l 連續模型層次：典型尺度約在1m量級，這時材料被看成連續介質，不考慮其中單個原子、分子的行為；l 工程設計層次：尺度對應于宏觀材料，涉及大塊材料的加工和使用性能的設計研究。p材料設計的層次p材料的微觀結構與性能的關系，從量子化學、固體物理、結構化學等角度探索研制新材料、新物質的新思想和新概念；p從相圖、熱力學和動力學性質出發，探索新型合金、氧化物等新材料及其制

13、備方法的革新；p運用模式識別、人工神經網絡、支持向量機等數據挖掘方法，結合數據庫和知識庫，總結材料結構與性能的關系、成分及工藝條件與材料性能或生產技術指標（成品率、能耗等）的關系等規律，用于材料制備和加工的優化。p材料設計的層次計算材料學概述計算材料學簡介材料模擬中的多尺度材料模擬中的多尺度Grain/crystalInter-grain slipGrain boundaryTwinsprecipitatesAtomsMeso（介觀）（介觀）Micro（微觀（微觀）Nano（納觀）（納觀）Macro(宏觀宏觀)Different Scales10-910-610-3100Length Scal

14、e, m10-1510-1210-910-610-3100103Time, sAtomisticDislocationsSubstructuresGrain/PhaseMacro-Interface FEACellular AutomataPhase FieldDislocationDynamicsMolecularDynamicsTightBindingAb-Initio Solidification Grain structures CET Porosity, Macrosegregation1. Shrinkage Cavity Grain structures, CET Dendrit

15、e morphology, SDAS Eutectic, Peritectic1. Microsegregation, Microporosity Dendritic growth morphology Transition/ plane-cellular-dendritic1. Eutectic, Peritectic Nucleation (Clustering) S/L interface morphology Atomic attachment1. Dislocation movement宏觀介觀微觀納觀Standard TransportSimulations of heat tra

16、nsfer and diffusion in nuclear fuelsPhase Field simulations of void formation and evolutionThermo-chemical models of oxygen diffusivityMolecular dynamics calculations of point defect energy Nucleation sites Electronic Structure Calculations (DFT)Inter-atomic potential parameters Porosity D(T,x,p) 多尺度模擬策略Meshing and virtual experimentation (OOF)Property statisticsPhase field modelThermodynamic variables (CALPHAD) Mobilities Interfacial energiesNucleation ModelsDiffusion coefficients多尺度模擬策略知識庫知識庫材料設計材料設計服役行為服役