材料加工中的数值模拟方法-微观组织数值模拟

《材料加工过程的数值模拟》——微观组织数值模拟(I)任课教师:王锦程Office：公字楼216Tel：[phone](O)Email：[e-mail]宏观模拟(Macro-)微观模拟(Micro-)加工过程(Processing)组织演化(Microstructure)温度场应力场流场浓度场形态应力-应变方程能量方程动量方程连续性方程扩散方程？？？传导对流辐射???？《材料加工过程的数值模拟》其他场基础知识（2）微观组织数值模拟简介计算材料学简介相变理论基础热力学基础课程安排相场法（5）相场法基本原理及其应用沉淀相析出再结晶过程凝固过程元胞自动机（2）基本原理模型应用水平集法（1）基本原理模型应用主要参考书1.DierkRaabe，ComputationalMaterialsScience2.NikolasProvatasandKenElder,Phase-FieldMethodsinMaterialScienceandEngineering3.相关最新参考文献微观组织数值模拟简介Whatismicrostructure?Whymodelingandsimulation?AmicrographofbronzerevealingacastdendriticstructureWhatismicrostructure?晶界、晶粒度、亚晶界相（形态、体积分数）晶体结构、晶体缺陷微观组织SCN-4%wt.%ACT200mDendritesEutecticsCellularPeritecticsMicrostructureisimportant.“微观组织”是材料科学的核心。——剑桥大学教授R.W.Cahn材料在加工和服役过程中的力学性能在很大程度上取决于材料加工过程中形成的微观组织微观组织将物理和化学中的晶体、原子结构及其基本作用规律有机结合在一起——使得材料研究成为一门科学成分-工艺-组织-性能性能是目的，成分是基础，组织是表现形态，工艺是手段TheMaterialsTetrahedronMCFlemings&PraveenChaudhari1989Microstructureisimportant.ThisisanopticalinterferencecontrastmicrographthatwastakenwithaLeicaMEF4AmicroscopeequippedwithaSonyDKC5000Camera..MicrostructureisBeautiful.ZincoxidesinglecrystalsGranulatedSugar白砂糖一种酪酸盐日本-秋山実（MinoruAkiyama）摄影家MicrostructureisBeautiful.酒石酸结晶陨石（Fe-Ni合金）MicrostructureisBeautiful.Thymol一种酚碳化硅MicrostructureisBeautiful.硅钢结晶硅MicrostructureisBeautiful.铸铁Gallium镓MicrostructureisBeautiful.液晶材料金刚石MicrostructureisBeautiful.纳米碳管镁合金表面磷酸盐转化膜MicrostructureisBeautiful.NonlineardynamicsofsandrippleformationMicrostructureisAmazing.Eutecticstructures沙丘vs.共晶雪花vs.枝晶MicrostructureisAmazing.STM5-foldsurfaceofi-Al-Pd-MnMicrostructureisAmazing.梯田vs.台阶组织云南元阳梯田IslandgrowthonPtsurfaceMicrostructureisAmazing.斑纹vs.条带、点状组织螺形位错引力和转动的共同影响下形成星系的螺旋结构MicrostructureisAmazing.星云vs.位错MicrostructureisAmazing.MorphologicalSimilarityConnections？？各种形态的枝晶组织螺旋生长与自然形态Modeling是沟通理论与实验、微观与宏观的桥梁WhyModelingandSimulation?CharacterizationAl-Cu枝晶二维形貌（横/纵截面）Al-Cu合金等温粗化????WhyModelingandSimulation?ScienceUnderstandingPracticeApplicationsMicrostructureModelingofferinsightintothephenomenonofmicrostructureevolution;improveourunderstandingofthephysicsofmaterialsprocessingalloydesign;improvementsincurrenttechnologies;developmentofnewprocesses.WhyModelingandSimulation?计算材料学概述计算材料学简介材料模拟中的多尺度计算科学应用科学计算机硬/软件数学什么是计算科学？Moore定律（1965）：计算机的CPU速度每1.5年增加一倍“科学计算已经是继理论科学、实验科学之后，人类认识与征服自然的第三种科学方法”。计算机软硬件条件的飞速发展为科学计算的广泛应用提供了有力保证。计算—第三种科学手段计算填补理论分析与实验之间的空白计算使得人们能够深入研究一大批从科学理论分析角度看过于复杂、过于困难，而从科学实验角度看又过于昂贵、过于危险，甚至是无法进行的探索问题计算已成为理论与实验相互补充的第三种手段,已成为人们认识世界的第三只眼睛计算科学至今尚未具备象理论、实验与工程设计那些传统方式可预测的可靠性任何计算模型只是客观真实事物的一个近似AdvantageDisadvantage计算材料学定义计算材料学是近年里飞速发展的一门新兴交叉学科。它综合了凝聚态物理、材料物理学、理论化学、材料力学、工程力学、应用数学、计算机算法等多个相关学科。本学科的目的是利用现代高速计算机，模拟材料的各种物理化学性质，深入理解材料从微观到宏观多个尺度的各类现象与特征，并对于材料的结构和物性进行理论预言，从而达到设计新材料的目的。经验型（炒菜式）智能型（材料设计）传统的材料研究方法工艺寻优成本控制材料制备性能表征服役行为新材料探索系统集成性能优化……经验积累循环试错以大量的材料制备为中心，强调经验积累；被动的性能表征；经验与不断的循环试错而提高性能：实验寻优。SiliconAgeComputationalMaterialsbyDesignAge计算材料学StoneAgeBronzeAgePlasticAgeIronAgeIndustrialAge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与功能之间的关系设计新材料缩短材料研制周期降低材料制造过程成本“材料设计”是指通过理论与计算预测新材料的组分、结构与性能，或者通过理论设计来“定做”具有特定性能的新材料。计算材料学内涵微观设计层次：空间尺度约在lnm量级，是原子、电子层次的设计；连续模型层次：典型尺度约在1μm量级，这时材料被看成连续介质，不考虑其中单个原子、分子的行为；工程设计层次：尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。材料设计的层次材料的微观结构与性能的关系，从量子化学、固体物理、结构化学等角度探索研制新材料、新物质的新思想和新概念；从相图、热力学和动力学性质出发，探索新型合金、氧化物等新材料及其制备方法的革新；运用模式识别、人工神经网络、支持向量机等数据挖掘方法，结合数据库和知识库，总结材料结构与性能的关系、成分及工艺条件与材料性能或生产技术指标（成品率、能耗等）的关系等规律，用于材料制备和加工的优化。材料设计的层次计算材料学概述计算材料学简介材料模拟中的多尺度Grain/crystalInter-grainslipGrainboundaryTwinsprecipitatesAtomsMeso（介观）Micro（微观）Nano（纳观）Macro(宏观)DifferentScalesMultiscaleModelling&Simulations10-910-610-3100LengthScale,m10-1510-1210-910-610-3100103Time,sAtomisticDislocationsSubstructuresGrain/PhaseMacro-InterfaceFEACellularAutomataPhaseFieldDislocationDynamicsMolecularDynamicsTightBindingAb-InitioPhysicalChemicalBiologicalMechanicalMacroscopic-scale(mm~cm,m)1.SolidificationGrainstructures2.CET3.Porosity,Macrosegregation4.ShrinkageCavity…Mesoscopic-scale(m~cm)1.Grainstructures,CET2.Dendritemorphology,SDAS3.Eutectic,Peritectic4.Microsegregation,Microporosity…Microscopic-scale(nm~m)1.Dendriticgrowthmorphology2.Transition/plane-cellular-dendritic3.Eutectic,Peritectic…Nanoscopic-scale(~nm)1.Nucleation(Clustering)2.S/Linterfacemorphology3.Atomicattachment4.Dislocationmovement宏观介观微观纳观CAModelsMonteCarloLevelsetMethodStandardTransportMolecularDynamicsAtomisticSimulationFirstPrinciplePhaseFieldModelsSimulationsofheattransferanddiffusioninnuclearfuelsPhaseFieldsimulationsofvoidformationandevolutionThermo-chemicalmodelsofoxygendiffusivityMoleculardynamicscalculationsofpointdefectenergyNucleationsitesElectronicStructureCalculations(DFT)Inter-atomicpotentialparametersPorosityD(T,x,p)多尺度模拟策略Meshingandvirtualexperimentation(OOF)PropertystatisticsPhasefieldmodelThermodynamicvariables(CALPHAD)MobilitiesInterfacialenergiesNucleationModelsDiffusioncoefficients多尺度模拟策略知识库材料设计服役行为工艺寻优成本控制材料制备性能表征材料制备性能表征构建“集成计算材料工程”研究平台，形成完整研究链，实现从“实验寻优”向“系统寻优”转变。材料合成制备器件集成微观机制与结构-性能关系微结构表征性能测量多尺度材料模拟材料设计材料基础数据集成与知识库原子尺度介