计算机在新型功能梯度材料中的应用
冶金工程学院 金属材料092
摘要 介绍计算机技术在功能梯度材料科学研究中应用领域。探讨计算机在材料科学研究领域中的具体应用。借助于计算机可推动材料研究、开发与应用。
关键词 计算机技术在新型功能材料中的应用
中图分类号TP39
1 引言
计算机技术已广泛应用于高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。计算机模拟技术在材料成形加工中的应用，使材料成形工艺从定性描述走向定量预测，为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案，从传统的经验试错法，推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段，对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。计算机模拟是未来材料成形制备工艺的必由之路，其发展趋势是多尺度模拟及集成。
1 计算机在新型梯度功能材料科中的应用
1．1功能梯度材料研究中的模拟
利用计算机对真实系统模拟实验、提供模拟结果，指导新材料研究，是材料设计的有效方法之一。材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的过程，包括合成、结构、性能制备和使用等。计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模拟实验。通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功，还可为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详细的预测并提供方法。
1．2用于新功能梯度材料的设计
材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构号|生能，或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能的新材料，按生产要求设计最佳的制备和加工方法。材料设计按照计对象和所涉及的空间尺寸可分为电子层次、原子／分子层次的微观结构设计和显微结构层次材料的结构设计。材料设计主要是利用人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术，将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来，用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策，为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法¨
1．3 功能梯度材料工艺过程的优化及自动控制
材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展，微机和可编程控制器(PLC)在材料加工过程中的应用正体现了这种发展和趋势。在材料加工过程中利用计算机技术不仅能减轻劳动强度，更能改善产品的质量和精度，提高产量。用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制。例如在计算机对工艺过程的数学模型进行模拟的基础上，可以用计算机对渗碳渗氮全过程进行控制。在材料的制备中，可以对过程进行精确的控制，例如材料表面处理(热处理)中的炉温控制等。计算机技术和微电子技术、自动控制技术相结合，使工艺设备、检测手段的准确性和精确度等大大提高。控制技术也由最初的简单顺序控制发展到数学模型在线控制和统计过程控制，由分散的个别控制发展到计算机综合管理与控制，控制水平提高，可靠性得到充分保证。
1．4用于梯度材料数据和图像处理
材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数据，借助计算机的存储设备，可以大量保存数据，并对这些数据进行处理(计算、绘图，拟合分析)和快速查询等。材料的性能与其凝聚态结构有密不可分的关系，其研究手段之一就是光学显微镜和电子显微镜技术，这些技术以二维图像方式表述材料的凝聚态结构。利用计算机图像处理和分析功能就可以研究材料的结构，从图像中获取有用的结构信息，如晶体的大小，分布，聚集方式等，并将这些信息和材料性能建立相应的联系，用来指导结构的研究。
2 详细而具体的功能应用
2.1模拟技术的应用热处理
计算机模拟是有赖于计算传热学、相变动力促进了热处理模拟技术的迅速发展，在淬透性控制、感应加热、真空加热、气氛控制、炉温控制、相变动力学曲线计算等方面已取得了成果。目前，热处理模拟技术的应用正日益广泛，受到人们的重视。在计算机模拟钢的淬火方面，近年来采用数值计算处理钢的淬火硬化，并建立了热弹性模型。对温度控制、相变及残余应力等建立了以计算机为基础的模型，从而实现了优化淬火硬化过程。在定值气体渗碳过程中，已建立离子渗碳数学模型，通过计算机模拟使数字模型编入卫星计算机内存中，输人数据进行计算，可以获得与实际相吻合的碳浓度分布曲线。除此之外，控制渗氮的数学模型也已建立起来，使模拟技术的应用更加广泛。
在感应加热和真空加热控制方面，也全面地模拟了整个系统的工艺参数。整个工艺过程由计算机按照工艺参数准确地进行控制，消除人为误差，提高了产品质量。热处理计算机模拟技术还应用在计算碳素共析钢A_P转变的动力学曲线上，采用了差热分析法和模拟技术相结合的方法，建立了DTA曲线和转变动力学曲线之间转换的数学模型，计算出钢A_P等温转变动力学曲线。热处理技术实现了利用流体力
