计算机在材料科学与工程中的应用——excel-origin

计算机在材料科学与工程中的应用XX大学材料科学与工程学院2013.04.28第一章绪言计算机在材料科学与工程中的应用简介•用于新材料和新合金的设计•用于材料科学研究中的模拟•用于材料工艺过程的优化及自动控制•用于材料组成和微观结构的表征•用于数据和图像处理及其他用于新材料和新合金的设计按所需材料性能来设计、制备新材料和新合金，并使所设计的合金成分、组织或工艺达到最佳配合。其基本原理是基于已有的大量数据和经验事实出发，利用已有的各种不同结构层次的数学模型，如合金的成分、组织、结构与性能关系的数学模型及相关理论，通过计算机运算对比和推理思维来完成优选新合金和新材料的设计过程，其中引入了数学上的最优化理论来获得最佳方案的材料配方及生产工艺。克服来了传统“炒菜式”方法盲目性大，费工、费时和经济损耗大的缺点。材料设计专家系统设计要求性能指标材料数据库材料知识库推理机推荐成分与工艺实验验证智能化YES优化结果知识获取机器学习结果YESNO集成化数据库：存储具体有关材料的数据值，只能进行查询而不能推理。知识库：存储的是规则，当从数据库中查询不到相应的性能值时，能通过推理机构以一定的可信度给出性能的估算值，从而实现性能的预测功能。专家系统中两个最重要的部分是材料数据库和材料知识库。用于材料科学研究中的模拟采用模拟技术进行材料研究的优势在于它不但能够模拟各类实验过程，了解材料的内部性质及其宏观力学行为，在没有实际制备出这些新材料前就能预测它们的性能，为设计出性能优异的新型结构材料提供强有力的理论指导。材料科学研究中的模拟“实验”比实物实验更高效、经济、灵活，并且在实验很困难或不能进行的场合仍可进行模拟“实验”，特别是在对微观状态与过程的了解方面，模拟“实验”更具有其独特性甚至有不可替代的作用。根据模拟对象的尺度范围，计算机模拟可以划分为四个层次：电子层次（0.1~1nm）、原子分子层次（1~10nm）、微观结构层次（约1m）、宏观层次（大于1m）。数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方法。选择合适的商业软件（如：热加工工艺商业软件：ANSYS、DYNA3D（板料塑性成形）、ABAQUS（焊接）、SOLIDA、AFSSolidificationSystem3D（铸造）、DEFORMAUTOFORGE、SUPERFORGE（体积塑性成形）），结合具体问题，进行改进提高研究，正逐步成为多、快、好、省的研究方法。用于材料工艺过程的优化及自动控制在材料加工过程中应用计算机不仅能减轻劳动强度，而且能改善产品的质量和精度，提高产量。利用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制，例如：可以用计算机对渗碳（氮）全过程进行控制，也可以利用计算机精密控制注塑机的注射速度。计算机技术、微电子技术和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都获得了大幅提高。用于材料组成和微观结构的表征目前，材料组成和结构表征研究主要采用各种大型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、扫描探针显微镜、X射线衍射仪、中子衍射仪、拉曼光谱仪、原子吸收光谱仪、等离子体发射光谱仪、荧光光谱仪等，这些大型分析设备几乎无一例外的是在计算机的控制之下完成分析工作的。这些分析设备提供有不同的分析模拟软件以及相应的数据库，而且软件的功能非常强大，大大减轻了数据处理的工作量，并且可以给出各种图表。用于数据和图像处理及其他材料科学研究在实验中获得的大量实验数据可以借助计算机的存储设备进行保存，并利用计算机对这些数据进行处理（计算、绘图、拟合分析）和快速查询等。同时，利用光学显微镜和电子显微镜技术，可以以二维图像的方式表述材料的凝聚态结构，利用计算机的图像处理和分析功能可以从图像中获取有用的结构信息如晶粒的大小、分布、聚集方式等，从而可以把这些结构信息与材料的性能建立起相应的联系。利用计算机网络，材料科学工作者可以很方便地查阅文献、相互交流、及追踪材料科学研究发展动向。第二章实验数据处理•一、利用MicrosoftExcel进行数据处理•二、利用Origin进行数据处理•三、实验曲线的数据拟合要点：1.从文本文档中导入数据2.电子表格的显示调整（最合适行高、列宽）3.计算功能4.公式的复制5.曲线绘制、坐标轴显示更改6.趋势线用法、参数估计7.在线帮助文件使用一、利用MicrosoftExcel进行数据处理例：腐蚀试验数据处理•在材料的腐蚀试验中，研究腐蚀的反应速度和动力学规律对了解反应机理及整个反应速度控制步骤都是非常有用的。同时，反应速度的测定也是定量描述材料腐蚀程度的基础。与理论模型相结合对研究材料腐蚀行为将很有帮助。重量法是最直接也最方便的测定高温腐蚀速度的方法。如果腐蚀后的腐蚀产物致密且牢固地附着在试样表面且质量增加时，可以用增重法来计算腐蚀速度。不同试样随时间变化的氧化增重量（A：无涂层；B：有涂层）试样氧化时间/h05102030507090110130150175200A（mg/cm2）02.213.422.330.841.848.859.666.671.9778.8485.6692.2B（mg/cm2）01.72.182.192.236.092.342.422.532.642.752.842.96数据导入要点：充分利用Word的表格转换功能：在主菜单栏中选中表格（A）转换（V）文字转换成表格（X）或表格转换成文字（B）对于存储在Word文档（即“*.doc”文档）中的数据，利用文字转换成表格功能将数据转换成表格，便可直接复制相关单元格到EXCEL中使用。对于存储在纯文本文件（即“*.txt”文档）中的数据，可利用EXCEL直接打开或读取需设置文本文件中数据之间的分隔符号（如Tab键、空格、逗号等），根据实际情况可同时选中多种分隔符号。？--怎样判断相邻数据间是到底是用Tab键还是空格键分隔呢？数据没有被分隔成列选中匹配的分隔符后数据被分隔成列单元格显示不全或过大EXCEL电子表格的显示调整按左键不放拖拽EXCEL绘图A（mg/cm2）020406080100050100150200250A（mg/cm2）020406080100050100150200250无涂层氧化增重量变化情况氧化时间/h增重量mg/cm2EXCEL图表的构成A：图表区；B：标题；C：绘图区；D：坐标轴E：网格线ABBBDDCEAAACCEXCEL图表设置点击选中网格线，按Delete键即可去除网格线。无涂层氧化增重量变化情况020406080100050100150200250氧化时间/h增重量mg/cm2无涂层氧化增重量变化情况0102030405060708090100020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2在坐标轴上点击右键，或左键双击坐标轴以改变坐标轴格式（如刻度）。无涂层氧化增重量变化情况020406080100120020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2无涂层氧化增重量变化情况y=0.451x+11.161R2=0.9496020406080100120020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2左键点击图中散点，再点击右键，可添加“趋势线”。无涂层氧化增重量变化情况y=-0.0017x2+0.7712x+3.9898R2=0.9892020406080100020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2右键点击趋势线，可改变趋势线格式，或选取其他更适合的趋势线。无涂层氧化增重量变化情况020406080100020406080100120140160180200220氧化时间/h增重量mg/cm2有涂层试样00.511.522.533.5050100150200250有涂层试样00.511.522.533.5050100150200250在空白处点击右键，在“图表选项”中可改变图表坐标轴、网格线、标题等内容；在“图表类型”中可改变散点图为平滑散点图等。以氧化时间为X轴020406080100050100150200250氧化时间增重量以增重量为X轴050100150200250020406080100增重量氧化时间注意：Excel默认第一行或第一列作为X轴数据源，若要使第二列为X轴数据源，必须注意第一个单元格不能含非数字字符，否则所得的图像会不正确。-50050100150200250050100150200250300二、利用Origin进行数据处理（一）数据的导入：1、File菜单Import子菜单……2、工具栏ImportASCII图标3、工作表左上第一个空格处点击右键，弹出式菜单中的ImportASCII（二）数据的导出：1、File菜单ExportASCII（三）图片的导出：1、File菜单ExportPage将工作表转换为矩阵（画3D图像必需）Origin7.0版本：激活工作表选中某一列数据，将其设置为Z（SetAsZ）Edit菜单ConverttoMatrixRegularXYZ或RandomXYZ。Origin8.0版本：激活工作表选中某一列数据，将其设置为Z（SetAsZ）Worksheet菜单ConverttoMatrixXYZGriddingOpendialogGriddingSettingsGriddingMethodandParameters（选Regular或Random）。在8.0版本中可以不事先设置Z列，但此后在Opendialog中需对Input下的Range1进行设置。提示：点击图标可以展开隐藏的设置项Origin三维图像绘制1、三维散点图（3DScatterPlot、3DTrajectory）和XYY3DBars、3DWall、3DRibbons、3DWaterfall由工作表直接绘制；2、其他3D图像（如：3DColorFillSurface、3DColorMap等）则必须将工作表转换为矩阵方可绘制，否则相应的3D绘图工具栏图标均为灰色（即表示该功能不可用）;3、关闭SpeedModeIsOnGraph菜单，SpeedMode选项，以提高图像解析度。Origin绘制三元相图1、利用2Dgraph工具条的Ternary可做三角点线图三、实验曲线的数据拟合•一、利用MicrosoftExcel进行数据拟合•二、利用Orgin进行数据拟合•三、利用WinFit进行数据拟合•四、其他数据拟合软件第三章图像绘制及处理•一、利用MicrosoftWord/PowerPoint进行绘图•二、图片MicrosoftWord/PowerPoint简单处理•三、利用AdobePhotoshop进行图像后期处理•四、从图片中导出曲线数据——曲线图像数字化一、利用MicrosoftWord/PowerPoint进行绘图•Word绘图网格大小调整•图像各单元的组合•EMF格式图片•PowerPoint中图形位置的精确调整二、图片MicrosoftWord/PowerPoint简单处理•亮度对比度调整•图像裁剪三、利用AdobePhotoshop进行图像后期处理•亮度对比度调整•图像裁剪•使用磁性套索•使用仿制图章四、从图片中导出曲线数据--曲线图像数字化从OriginLab公司网站下载栏（Downloads）的文件交换目录（FileExchange）中下载Digitize.opk插件。按住左键不放拖拽至工具栏即可安装数字化插件安装完后出现相应的数字化插件按钮可将数字化插件按钮拖拽至工具栏放置按钮不见了怎么办(_)到这里找找看^_^？！按住左键不放可拖拽至此处先利用他图像处理程序打开要处理的图片，然后拷贝图像到剪贴板，接着粘贴到此窗口把粘贴过来的图片放大，以方便后续的设置工作选中Control项将Name属性改为：Image1并选中Page项设置完Pr