计算材料学概述 第一章 绪论

计算材料学概述第一章绪论计算材料学-课程主要内容内容计算材料学概述计算材料学的主要途径、层次等蒙特卡洛方法基于第一性原理的计算材料学概述微观层次分子力场与分子动力学模拟介观层次宏观层次计算材料学-主要参考书（1）计算材料学-主要参考书（2）计算材料学概述-例子（1）例1：将CaO外加到ZrO2中去生成固溶体，具有立方萤石结构，试验测定：当溶入量为0.15molCaO时，晶胞常数a=0.5131nm，密度D=5.477g/cm3。试通过计算判断生成哪种类型固溶体(置换型或间隙型)。已知：原子量Ca：40.08，Zr：91.22，O：16.00。【解】（1）设形成置换型固溶体则【解】（1）假设形成置换型固溶体则固溶体分子式为：Zr1-xCaxO2-x，x＝0.15即：Zr0.85Ca0.15O1.85形成置换型固溶体的密度为：其中M——置换型固溶体的分子量，N0——阿佛加德罗常数则CaOZrO2CaZr′′+Oo+VO..计算材料学概述-例子（1）【解】（2）假设形成间隙型固溶体固溶体分子式为：,x=0.15即：形成间隙型固溶体的密度为：将计算结果与实验测定结果比较D1更接近于实测值，所以生成置换型固溶体计算材料学概述-例子（2）例2.bcc铁的单位晶胞体积，在912℃时是0.02464nm3；fcc铁在相同温度时其单位晶胞体积是0.0486nm3。当铁由bcc转变为fcc时，其密度改变的百分比为多少？解答：%4.1%10053.753.7636.7/636.7100486.041002.6/85.55/53.71002464.021002.6/85.5585.55)Ar(FeFe332123332123cmgcmgcmgcmgfccbcc计算材料学概述计算材料学的起源、发展与趋势计算材料学的重要性计算材料学的方法、层次与特点计算材料学概述科学的体系和结构发生深刻变化。对象：宏观现象微观本质方法学：描述、归纳演绎、推理理论层次：定性定量化学不再是纯实验的科学物理不再是纯实验的科学计算材料学概述人类认识自然的两种科学方法。计算材料学概述人类认识自然的两种科学方法。•迄1980年代，归纳法是多数化学家采用的唯一科学方法；演绎法在化学界从未得到普遍承认•原因：①对象复杂；②习惯观念归纳法(Reduction)与演绎法(Deduction)的比较依据目标数学工具归纳法实验事实经验公式、规律唯象理论较简单演绎法正确普适的公理和假设形式理论较高级、复杂计算材料学概述数学在学科中的作用运用数学的多少是一门科学成熟的程度的标志。马克思计算材料学概述数学在学科中的作用。恩格斯数学的应用：在刚体力学中是绝对的，在气体力学中是近似的，在液体力学中就已经比较困难了；在物理学中是试验性的和相对的；在化学中是最简单的一次方程式；在生物学中等于零。计算材料学概述数学在学科中的作用。恩格斯的论断反映了19世纪中叶自然科学各学科的“成熟程度”。表明各学科研究对象物质运动形式与规律其复杂程度的差异然而，百年来科技的发展使各学科的“成熟程度”发生了巨大变化计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（1）20世纪40年代初，在由于战争的需要开始了核武器研制。涉及的问题：流体动力学过程、核反应过程、中子输运过程、光辐射输运过程、物态变化过程等；都是十分复杂的非线性方程组，不可能用传统的解析方法求解。由于需要在短时间内进行大量复杂的数值计算，从而促使了计算机的诞生和新物理学科的形成。计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（2）1944年，世界上第一台“自动序列受控计算机MarkI制成，主要部件是继电器，速度仅每秒3次加法。在美国原子弹研制中起了重要作用。1946年初，世界上第一台电子管计算机ENIAC投入运行，速度为每秒5000次加法。电子计算机的出现，为计算物理奠定了物质基础。计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（3）费米（Fermi1901－1954）：美籍意大利物理学家，对统计物理、原子物理、原子核物理、粒子物理、中子物理都有重要贡献。由于中子核反应的发现，1938年获得诺贝尔物理学奖。费米是20世纪上半叶国际上最有才华的科学家之一，在第二次世界大战期间，他领导建设了第一个实现原子核链锁裂变的反应堆。计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（4）战后费米对计算机发生兴趣，经常去访问LosAlamos，这个地方一直拥有世界上最强大的计算能力。他和乌勒姆(S.Ulerm)，巴斯塔(J.Pasta)等人讨论计算机的未来应用。他首先想到的是研究非线性系统长时间行为和大尺度性质（这是用解析方法无法处理的问题），并于1952年夏天设计了一个计算机实验，一年后，在当时用来进行氢弹设计的MANIAC计算机上实现。计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（5）1954年11月，费米逝世，他的合作者继续工作，于1955年5月写出LosAlamos研究报告LA-1940。这篇秘密报告历经多年、解密后被正式收入《费米全集》。这篇具有重大意义的报告，被许多人认为是计算物理的正式起点，因为它提出了许多问题，带来了当时谁也未曾想到的重大发展。计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（6）从此，物理问题的计算与计算机相互促进，开始蓬勃发展。1950年，全世界还只有15台计算机，到1962年9月，仅美国就有了16817台。现在的计算机不计其数！计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（7）科学家们从原子弹设计中使用计算机求解复杂物理问题取得成功而得到启示，迅速将这种方法推广应用到物理学的其他领域：天体物理、大气物理、等离子体物理、核物理、原子分子物理、固体物理、统计物理和基本粒子物理等，而且还应用到气象预报、水利、海洋、地震、石油、化工甚至人体科学等各个科学技术领域。计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（8）1963年，美国的Beini，Alder等人开始编辑出版《计算物理方法》丛书，内容涉及统计物理、量子力学、流体力学、核物理、天体物理、固体物理、等离子体物理、地球物理和大气环流等。1966年，JournalofComputationalPhysics在美国创刊；1969年，ComputerPhysicsCommunication在西欧创刊。1977年，美国和西欧的学者开始编辑出版《计算物理施普林格系列丛书》，到1988年已出17本；计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（9）1965年，Harlow和Fromm在《ScientificAmerican》杂志发表“流体力学的计算机实验”一文。几乎同时，Macagno在法国《LaHaulilleBlanche》杂志上发表“水力学模拟的某些新方面”的论文。第一次提出了计算机实验和数值模拟的概念。与此同时，为计算物理服务的许多程序库和数据库也相继建立。这些工作迅速地推进了计算物理的普及和发展。计算材料学概述计算材料学起源-计算物理（10）这些新概念的提出、新物理现象的发现，说明计算物理的目的不仅是计算出结果，还在于理解、预言和发现新的物理现象，寻求物理规律。在这一点上，它与传统的实验物理和理论物理没有什么不同，差别只在于工具和方法。计算物理这一新的学科起源于20世纪40年代，形成于60年代。计算材料学概述计算材料学起源-科学计算（1）1983年，在美国国防部、能源部、国家科学基金会和国家航天局主持下，以美国著名数学家拉克斯为首的不同学科的专家委员会向美国政府提出报告，强调“科学计算是关系到国家安全、经济发展和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大事”。计算材料学概述计算材料学起源-科学计算（2）1984年，美国政府大幅度增加对科学计算经费的支持，国家科学基金会成立了“先进科学计算办公室”，制订全面高级科学计算发展规划，新建成五个国家级高级计算中心。1987年起，国家科学基金会把“科学与工程计算”、“生物工程”、“全局性的科学”作为三大优先重点支持领域。计算材料学概述计算材料学起源-科学计算（3）1990年，美国国家研究委员会发表“振兴美国数学：90年代的计划”的报告，建议对由计算引发的数学给予特殊的鼓励和资助。报告指出，大存储量、高速计算机的使用已导致了科学与技术方面的两大突出进展：1.大量用于设计工作的实验被数学模型逐步取代，如航天飞机设计、反应堆设计、人工心瓣膜设计等2.能获取和存储空前大量的数据，并能提取出隐含的信息，如计算机层析X射线摄影，核磁共振等。计算材料学概述计算材料学起源-科学计算（4）1991年，以美国总统的名义提出“高性能计算与通信计划”。投资重点(43%)是发展先进的软件技术与并行算法，关键技术是可扩展的大规模并行计算。1993年美国总统发布“发展信息高速公路”的总统令。1994年美国总统发布“建立国家（地球）空间数据基础设施”的总统令。所有这些计划，都是为大规模科学计算创造条件，促使科学计算高速发展。计算材料学概述计算材料学起源-战略计算（1）1995年，美国为了确保核库存的性能、安全性、可靠性和更新需要，开始实施“加速战略计算创新计划”，通过逼真的建模和模拟计算来取代传统的反复试验的工程处理方法，这主要依赖于先进的数值计算和模拟能力，应用程序必须达到高分辨、三维、全物理和全系统的水平。计算材料学概述计算材料学起源-战略计算（2）为确保战略计算目标的实现，采取五项策略措施：①在三个防务计划实验室基础上成立“战略计划和模拟办公室”由国家统一指挥。②致力于开发高级应用软件③致力于发展高性能计算机④建立解决问题的环境⑤促进战略联合与协作计算材料学概述计算材料学起源-战略计算（3）美国为实施“战略计算创新计划”实施日程表：1995年8月22日能源部采购一台世界上最快的计算机（运算速度超过万亿次）交付Sendia实验室1995年10月20日，建成三个防务实验室之间第一个高速数据网络。1996年2月20日，能源部公开招标，采购两台运算速度达3万亿次的计算机交给LosAlamos和Livermore，并竞争下一代系统：10万亿次。结果，2004年实现了100万亿次计算机。计算材料学概述计算材料学起源-战略计算（4）1997年，总统提出1.216亿美元预算实施战略计算1997年8月，战略计算创新计划的学术战略合作计划（ASAP），通过招标和签订合同方式，建立五家合作中心：斯坦福大学的湍流综合模拟中心加州理工学院的模拟材料动态特性的计算中心芝加哥大学的天体物理、热核反应瞬间闪光研究中心犹他大学的意外火灾与爆炸模拟中心伊利诺斯州州立大学的助推火箭模拟中心。计算材料学概述计算材料学起源-战略计算（5）1998年美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心发表了题为“数字地球─21世纪认识地球的方式”的演讲，指出：“在发明计算机之前，用实验和理论的方法来研究都很受限制。许多实验科学家想研究的现象都很难观察到，它们不是太小就是太大，不是太快就是太慢，有的一秒钟之内就发生了十亿次，而有的十亿多年才发生一次。另一方面纯理论又不能预报复杂的自然现象所产生的结果，如雷雨或飞机上空的气流”。“有了高速计算机这个新工具，我们就可能模拟以前不可能观察到的现象，同时能更准确地理解观察到的数据。这样，计算科学使我们能超越实验与理论科学的局限，建模与模拟给了我们一个深入理解正在收集的有关地球的各种数据的新天地”计算材料学概述计算材料学起源-战略计算（6）1999年初，美国总统信息技术顾问委员会提出一项题为“21世纪的信息技术：对美国未来的大胆投资”的报告。重点投资的三个领域是：(1)长期信息技术研究；(2)用于科学、工程和国家的高级计算；(3)信息革命的经济和社会意义研究。该报告设想，通过努力在超级计算机、数学模拟、网络等方面取得突破性进展，从而开创一个迈向自然世界的窗口，使得计算作为科学发现的一种工具，与实验和理论有同等的价值计算材料学概述计算材料学起源（1）Thefundamentallawsnecessaryf