计算机在材料科学中的应用

材料科学与工程学院刘旭俐第2章材料研究中数据与图像的处理2.1材料研究中的数据处理.2.1.1数据处理软件介绍.2.1.2Origin的基本功能.2.1.3Origin在材料研究中的应用.目录1目录22.2材料加工研究中的图像分析.2.2.1数字图像的获取2.2.2图像分析软件介绍2.2.3Photoshop的基本功能2.2.4Photoshop在材料研究中的应用2.1材料研究中的数据处理2.1材料研究中的数据处理数据处理范围数据存贮数据快速查找数据的后续处理计算绘图拟合分析2.1.1数据处理软件介绍2.1.1数据处理软件介绍Origin.ExcelMatlabMathmaticaMapleOriginOriginOriginproAdd-onmodulesOriginLab公司开发1991年问世特点：功能强大界面友好直观操作简单易学功能开放图形可视化和数据分析软件ExcelExcelMicrosoft公司开发1985年上市特点：界面友好直观操作相对简单易学功能相对简单办公自动化软件MatlabMatlabMathWork公司开发1984年推向市场特点：界面友好直观输出结果可视化功能丰富使用难度较高线性系统的分析和仿真工具矩阵知识计算机编程技术丰富的函数和命令Matlab例:解线性方程123x1366456x2=804780x3351其输入如下:A=[123;456;780]b=[366;804;351]x=inv(A)＊bMatlabA=123456780B=366804351X=25.000022.000099.0000屏幕显示结果:MathmaticaMathmaticaStephenWolfram领导的小组开发1987年推向市场特点：以符号计算见长高精度的数值计算功能和强大的图形功能可以作为一种算法语言，编写程序计算数学分析型软件Mathmatica例:解代数方程Out[1]={{x-1},{x-(-1)2/3},{x-(-1)4/3}}其输入及屏幕显示如下:In[1]：=Solve[x^3-1==0,x]x3-1=0MapleMaple加拿大Waterloo大学1985年首次推向市场特点：具有强大符号运算能力数值计算能力、图形处理能力借助键盘和显示器进行各种科学计算、数学推理、猜想的证明以及智能化文字处理.交互式计算机代数系统Maple例:求ycos(x2)的导数问题其输入如下:f:=y＊cos(x^2)Diff(diff(f,x),y)=diff(diff(f,x),屏幕显示结果:f:=ycos(x2)xxxyxy)sin(2)cos(2222.1.2Origin的基本功能2.1.2Origin的基本功能数据输入\编辑\保存数据分析拟合分析绘图二维Graph三维Graph多层Graph绘图2.1.2Origin的基本功能数据输入\编辑\保存数学运算统计傅里叶变换数据平滑和滤波基线和峰值分析数据分析线性拟合非线性拟合拟合分析Origin界面Origin界面窗口与菜单栏WorksheetGraphExcellLayoutMatrixNotesFunction数据输入编辑保存1数据输入\编辑\保存数据输入•键盘输入.•复制其他数据文件.•从已有的数据文件中读入数据Origin二进制方式数据(.opj)文本格式(ASCII).Excel格式(.xls).数据库文件(.dbf)Edit→PasteFile→OpenFile→Import→ASCIIFile→Import→ODBC数据输入编辑保存2数据编辑Edit→Clear•删除数据(格\列\行)•修改数据•改变数据列的名称.•改变数据属性.•改变数据类型.Column→Format→Column→OptionsFormat→Column→ColumnName数据输入编辑保存3数据保存•ASCII文本格式保存数据.File→ExportASCII•Origin二进制方式保存数据.File→SaveFile→SaveAs数据分析1数据分析数学运算•算术运算.•减去参考直线•垂直或水平移动•多条曲线平均•插值•微分.•积分Analysis→Substrate→StraightLineAnalysis→Calculus→DifferentiateAnalysis→Calculus→IntegrateAnalysis→Interlolate→ExtrapolateAnalysis→Translate→VerticalAnalysis→AverageMultipleColumn→SetColumnvalues数据分析2统计•描述性统计•t-检验•方差分析频数统计.正态统计.列/行统计.Statistics→DescriptiveStatistics→FrenquencyCountStatisticsonColumns/RowsNormalityTest(Shapiro-Wilk)单样本t-检验.双样本t-检验.Statistics→HypothesisTesting→OneSamplet-TestTwoSamplet-Test•直方图•质量控制图•存活率分析•方框图•方差分析.•t-检验•描述性统计Statistics→ANOVA→单因子方差分析.双因子方差分析One-WayANOVATwo-WayANOVA拟合分析拟合分析线性拟合•一元线性拟合.•多元线性拟合.非线性拟合.Tools→LinearFitStatistics→Multipleregression激活Graph窗口Analysis→Fit(各种形式)绘图二维Graph.绘图均值及标准差图形表示双Y轴的表示直方图\扇形图函数图形的绘制Column→SetasYErrorPlot→选定两列Y数据Plot→SpecialLine/Symgol→Double-YPlot→Statisticalgraphs→HistogramFile→New→Function→写入函数公式Plot→2.1.3Origin在材料研究中的应用2.1.3Origin在材料研究中的应用实例反应结合氧化铝动力学机理研究数学模型建立和拟合谱线处理反应动力学机理研究1反应结合氧化铝动力学机理研究以陶瓷(Al2O3)及金属铝的复合粉末为原料，控制条件使铝氧化成为氧化铝，研究反应过程中氧化的过程和机理。1.采用热分析仪获得温度-失重数据、热失重曲线2.明确反应动力学机理数学模型.'1000)ln(kTkElossWt3.数据分析.反应动力学机理研究2(实验结果)Temperature(℃)--36038040044048052056060064068072076080084088092096010001040108011201160Wtloss(%)-6.42-6.21-5.86-5.37115-4.55434-2.40855-0.706713.790285.059415.154595.710556.086196.652346.880526.993397.411287.617298.983899.511389.725769.782610.48278•实验结果反应动力学机理研究3(数据计算)反应动力学机理研究5(作图)反应动力学机理研究6（线性拟合）反应动力学机理研究7（线性拟合）反应动力学机理研究8（线性拟合）Y=3.50562-0.99977数学模型建立和拟合数学模型建立和拟合以IF(无间隙原子)钢再结晶过程为例。1.明确可用数学模型.JMAK模型:)exp(1nvX新再结晶模型:3max)/(DDXv]/)(tan[max0maxDMDDini数学模型建立和拟合2.通过实验获得再结晶动力学曲线方法同”反应动力学机理研究”•以ln[-ln(1-Xv)]为横坐标,以lnτ为纵坐标作图已再结晶分数Xv-时间τ曲线3.模型系数计算及验证•模型变形(JMAK模型):ln1)]1ln(ln[1lnnXnv•采用线性拟合得到截距、斜率•由截距和斜率计算n，κ谱线处理谱线处理曲线拟合.曲线平滑.Analysis→Smoothing→基线与数据背景校正.Analysis→Substract→谱的微分和积分.Analysis→Calculus→Analysis→Fit……..→谱图分辨.曲线平滑基线与数据校正谱的微分与积分曲线拟合作业作业2：1.选择你们在《材料性能学基础实验》中的任意一个实验为对象，采用Origin进行数据处理分析。（尽可能多地练习各种功能）。（没有数据请自行设计）2.选择你们在《现代材料分析技术》中的XRD谱为对象，采用Origin进行数据处理分析（尽可能多地练习各种功能）。(没有图谱请E-mail:[e-mail])作业要求作业要求及提交:1.将上两题作业分别以“性能学实验结果分析”“XRD谱分析”保存;2.提供WORD文档一份，说明你进行的实验及实验数据计算需要用到的计算公式、你在数据分析中完成的分析项目，及XRD谱分析的项目.以你的名字或学号保存3.将上述三个文件存入以各位同学的学号为名字的文件夹中，汇总至各班班长处，以压缩文件包发至[e-mail]谱0XRD谱1XRD谱2XRD谱3XRD谱4XRD谱5XRD谱6XRD谱7XRD谱8XRD谱9XRD谱10XRD谱11XRD谱12XRD谱13均值标准差图1均值标准差图2均值标准差图3均值标准差图4均值标准差图5数据输入1(数据键盘输入)数据输入2(ASCII格式数据读入)数据输入3(XLS/DBF数据读入)数据属性1数据属性2数据类型1数据类型2改变数据列的名称1改变数据列的名称2改变数据列的名称3数据保存1数据保存2算术运算1(材料断裂韧度)•算术运算以材料断裂韧度(KIC)计算为例:awhPLYKIC223432)(22.25)(98.23)(66.1307.393.1hahahahaYP为断裂载荷(N)L为跨距(20mm)w为试条宽度(mm)h为试条高度(mm)a为槽深（mm）Y为几何因子，当L=4h时，算术运算2(材料断裂韧度)a.完成数据输入.b.利用函数表达式对数据格或数据列赋值.Column→SetColumnValues分别计算a/h;Y;KIC;算术运算3(断裂强度数据输入)算术运算4(计算a/h)算术运算5(计算Y)算术运算6(计算KIC)微分1微分2微分3列/行统计1•列/行统计列/行统计2列/行统计3频数统计1频数统计2频数统计3正态统计1正态统计2t-检验1t-检验2t-检验3t-检验4t-检验5t-检验6方差分析1方差分析2方差分析3一元线性拟合1例：由实验测得某种玻璃试样伸长量与温度的结果如下表,请对其进行拟合.0.140.150.180.190.220.240.270.30温度(k)伸长差值(mm)979981983986988990992994温度(k)伸长差值(mm)9969981000100210050.340.360.420.460.52一元线性拟合2一元线性拟合3一元线性拟合4故：L=-14.09697+0.01451T多元线性拟合1编号x1(%)x2(%)x3(%)y(S/cm)12.21.83.45.621.922.46.131.52.235.243.62.52.47.9521.62.88.462.82.53.57.6742.53.58.184.5457.4例：材料中含三种不同的正离子,每种离子都有一定的迁移率,对材料的离子电导率产生贡献,一般符合加和规则.现制备了不同配方的8种材料,检测了它们的组成并测定离子电导率如下,试求电导率y对离子质量分数的回归方程.多元线性拟合2多元线性拟合3多元线性拟合4故：Y=6.42467+1.3063x1-1.0705x2-0.15542x3非线性拟合1例：已知天然气的