計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的應(yīng)用第一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五講授內(nèi)容基本原理基本方法軟件的使用及應(yīng)用只能在基本層次上進(jìn)行第二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五要求聽課記錄上網(wǎng)查詢資料寫出課程小結(jié)第三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五幾大內(nèi)容數(shù)學(xué)模型數(shù)值分析方法物理場(chǎng)的數(shù)值模擬加工過程控制材料檢測(cè)數(shù)據(jù)與圖像處理Internet的應(yīng)用第四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五材料分類按照組成和結(jié)構(gòu)分 金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)高分子、復(fù)合材料按照性能特征和作用分 結(jié)構(gòu)、功能材料按照用途分 建筑、能源、電子、耐火、醫(yī)用、耐蝕第五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五研究?jī)?nèi)容材料的組成材料的結(jié)構(gòu)材料的性能材料的制備工藝材料的使用性能材料的各方面之間的相互關(guān)系第六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五計(jì)算機(jī)研究材料新材料的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)模擬工藝過程的優(yōu)化及自動(dòng)控制數(shù)據(jù)和圖像處理信息檢索第七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三章材料科學(xué)研究中的

主要物理場(chǎng)的數(shù)值模擬第一節(jié)溫度場(chǎng)的計(jì)算各種材料的加工、成型過程中與加熱、冷卻等傳熱過程有著密切的聯(lián)系，所以利用計(jì)算機(jī)解決傳熱問題是極為有力的。一.導(dǎo)熱方程 固體在穩(wěn)態(tài)條件下的Fourier導(dǎo)熱方程qx是x方向的熱流密度(W/m2);λ是材料的熱導(dǎo)率(W/m.K)偏導(dǎo)數(shù)為x方向上的溫度梯度，負(fù)號(hào)表示傳熱的方向與溫度梯度的方向相反。第八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五三維狀態(tài)時(shí)，瞬態(tài)溫度場(chǎng)的場(chǎng)變量T在有方程：ρ為材料密度(kg/m3),c為材料的比熱容(J/kg.K),t為時(shí)間，三個(gè)λ分別為沿x,y,z方向的導(dǎo)熱率（w/m.K），Q是物體內(nèi)部的熱源密度(W/kg).

這是一個(gè)熱量平衡方程，即體元升溫所需的熱量應(yīng)等于流入體元的熱量與體元內(nèi)產(chǎn)生的熱量的總和。 若邊界條件和內(nèi)部熱源密度Q不隨時(shí)間變化則經(jīng)過一定時(shí)間后物體內(nèi)部各點(diǎn)的溫度將達(dá)到平衡，即有穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程：第九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五此方程必須附加初始條件和邊界條件(即定解條件)才能得到唯一解。二.初始條件與邊界條件1.初始條件

T|t=0=T0 或 T|t=0=T0(x,y,z)2.三類邊界條件 物體表面或邊界與周圍環(huán)境的熱交換通常有三種類情況，既有三類邊界條件。第十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（1）第一類邊界條件已知物體邊界上的溫度分布函數(shù)

T|s=Tw 或 T|s=Tw(x,y,z,t)（2）第二類邊界條件已知物體邊界上的熱流密度這實(shí)際上就是Fourier定律第十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）第三類邊界條件已知物體與其周圍環(huán)境介質(zhì)間的對(duì)流傳熱系數(shù)k和介質(zhì)溫度Tf

當(dāng)k取不同的值時(shí)，上述三類邊界條件均可以統(tǒng)一用第三類邊界條件式表達(dá)，以方便計(jì)算機(jī)編程計(jì)算。第十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、平面溫度場(chǎng)的有限差分求解1、二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題的求解四條邊界有四種不同的邊界條件：三類邊界條件和絕熱條件。(1)劃分網(wǎng)格△x＝xi+1-xi，

△y＝y(tǒng)i+1-yi(2)建立差分方程二維各向同性、無內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)微分方程有應(yīng)用四個(gè)邊界條件：對(duì)流傳熱邊界條件

第十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱流邊界條件絕熱邊界條件給定溫度邊界條件用Ti,j表示結(jié)點(diǎn)(i,j)處的溫度，以差商代替微商，則有： O函數(shù)是截?cái)嗾`差第十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五代入并舍去誤差，令△x=△y后則有四個(gè)邊界條件的差分形式如下：對(duì)流傳熱邊界條件熱流邊界條件絕熱邊界條件給定溫度邊界條件 第十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五這樣一個(gè)差分方程加四個(gè)邊界條件式共同構(gòu)成方程組，從而通過求解得到結(jié)果。3、簡(jiǎn)單算例

P68圖3－6，已知所有邊界點(diǎn)的溫度且無內(nèi)熱源，利用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱求解線性方程組。四、有限元法求解1、基本方程 試探函數(shù)：構(gòu)造的函數(shù)，滿足邊界條件 加權(quán)余量法：用構(gòu)造函數(shù)計(jì)算會(huì)有余量，則對(duì)余量的加權(quán)積分使其為零。 型函數(shù)Ni KT＝P（熱傳導(dǎo)矩陣*結(jié)點(diǎn)溫度陣＝溫度載荷陣）第十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、平面溫度場(chǎng)有限元法求解(1)單元?jiǎng)澐郑喝Y(jié)點(diǎn)三角形單元 三角形的每個(gè)頂點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)，按逆時(shí)針方向?qū)?個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)i,j,m(2)試探函數(shù)：在單元中尋找滿足單元的近似函數(shù)很方便，也就將試探函數(shù)稱為插值函數(shù)，可以假設(shè)每個(gè)單元上的溫度分布T是坐標(biāo)的線性函數(shù)，有

T＝a1+a2x+a3y它滿足在三個(gè)結(jié)點(diǎn)上為相應(yīng)結(jié)點(diǎn)的溫度值，代入得到

T＝NiTi+NjTj+NmTm其中：Nk＝(ak+bkx+cky)/(2A)(k=i,j,m)A是三角形的面積，Nk

稱為型函數(shù)(3)單元積分計(jì)算(4)單元總體合成

(5)求解KT＝P

第十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、有限元分析實(shí)例工業(yè)煙囪壁中的溫度分布情況4、采用ANSYS程序計(jì)算潛水艇殼體的溫度分布情況第十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四章材料科學(xué)與行為工藝的計(jì)算機(jī)模擬材料行為工藝是通過調(diào)整材料在加工過程中的組織性能來改善其使用性能，利用計(jì)算機(jī)模擬材料可以部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真實(shí)試驗(yàn)，提高了效率、節(jié)省費(fèi)用。第三節(jié)相圖計(jì)算發(fā)展歷程和計(jì)算軟件介紹相圖是描述相平衡系統(tǒng)的重要幾何圖形，通過相圖可以獲得某些熱力學(xué)資料；反之通過熱力學(xué)數(shù)據(jù)可以建立一定的模型，從而計(jì)算和繪制相圖。相圖計(jì)算CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)是在前人收集、總結(jié)熱力學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一門新的介于熱力學(xué)、相平衡和計(jì)算機(jī)科學(xué)之間的交叉學(xué)科。第十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五一、相圖計(jì)算的過程和特點(diǎn)1、相圖計(jì)算過程主要步驟：體系的熱力學(xué)、相平衡和晶體結(jié)構(gòu)等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)研和評(píng)價(jià)。這是由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的來源和實(shí)驗(yàn)的方法有很多種，從而要加以判別實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的合理性及自洽性。根據(jù)體系中各相的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別選擇合適的熱力學(xué)模型機(jī)器吉布斯自由能函數(shù)，主意是利用經(jīng)過評(píng)價(jià)后精選的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)自由能表達(dá)式中的可調(diào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。用適當(dāng)?shù)乃惴ê拖鄳?yīng)的程序按照相平衡條件計(jì)算相圖，比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過調(diào)整可調(diào)參數(shù)或重新選擇熱力學(xué)模型進(jìn)行兩者之間的吻合。從低元系熱力學(xué)性質(zhì)的表達(dá)式可以外推出高元系的結(jié)果。第二十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、CALPHAD方法的主要特點(diǎn)體系熱力學(xué)性質(zhì)和相圖的熱力學(xué)自洽性。外推和預(yù)測(cè)多元系熱力學(xué)性質(zhì)和相圖。利用相圖計(jì)算方法可以外推和預(yù)測(cè)相圖的亞穩(wěn)部分，從而建立體系的亞穩(wěn)相圖，通過這種外推，可以計(jì)算那些擴(kuò)散活性差、難以達(dá)到平衡的體系和在極端條件下(如高溫、高壓、放射性等)下用式樣磨難一測(cè)定的相圖。提供相變動(dòng)力學(xué)研究所需要的重要信息?？色@得以不同熱力學(xué)變量為坐標(biāo)的各種相圖形式，以便用于不同條件下材料制備過程。第二十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、相圖計(jì)算軟件介紹1.Thermo-Calc

由瑞典皇家工學(xué)院材料科學(xué)與工程系為主開發(fā)，它包括了歐共體熱化學(xué)科學(xué)組(SGTE)共同研制的物質(zhì)和溶液數(shù)據(jù)庫(kù)、熱力學(xué)計(jì)算系統(tǒng)(Thermo-Calc)和熱力學(xué)評(píng)估系統(tǒng)(Top)。

Thermo-Calc系統(tǒng)有Windows版(TCW)和DOS版(TCC)兩種版本,均包含有SGTE純物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、SGTE溶液數(shù)據(jù)庫(kù)、FEBASE鐵基合金數(shù)據(jù)庫(kù)等多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，還包括了600多個(gè)子程序模塊。

Thermo-Calc可以在

http://www.thermocalc.se下載教學(xué)版。第二十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、相圖計(jì)算軟件介紹2.FACT(FacilityfortheAnalysisofChemical Thermodynamics)

由加拿大蒙特利爾多學(xué)科性工業(yè)大學(xué)計(jì)算熱力學(xué)中心為主開發(fā)，它包括了物質(zhì)和溶液兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)及一套熱力學(xué)和相圖等的優(yōu)化計(jì)算軟件。

FACT在1976年創(chuàng)建，是一種開放的體系，功能日趨完善和強(qiáng)大，含有多個(gè)化學(xué)熱力學(xué)計(jì)算模塊，主要有：化合物模塊中超過5000個(gè)化合物的熱力學(xué)數(shù)據(jù)(焓、熵、熱容、熱導(dǎo)、密度、膨脹系數(shù)等)。溶液模塊中有超過100個(gè)非理想溶液的數(shù)據(jù)庫(kù)。化學(xué)反應(yīng)模塊有大量的用于計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的數(shù)據(jù)和多元多相平衡。計(jì)算二元化合物相圖，以及二元系相圖優(yōu)化和三元交互相圖計(jì)算等 在http://www.crct.polymtl.ca可以免費(fèi)使用FACT的部分模塊的有限功能，如Compound-Web、Reaction-Web。第二十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、用Thermo-Calc系統(tǒng)計(jì)算相圖舉例 計(jì)算Fe-8%Cr-C三元系垂直截面圖第四節(jié)計(jì)算機(jī)模擬在材料科學(xué)中的應(yīng)用一、材料的組成和結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)模擬材料的組成和結(jié)構(gòu)采用各種大型分析設(shè)備進(jìn)行，如掃描電鏡、透射電鏡、分析電鏡、掃描探針顯微鏡，各種譜儀和各種衍射儀，這些均是在計(jì)算機(jī)控制下完成各自的分析工作，而且設(shè)備隨之提供了各種功能強(qiáng)大的分析模擬軟件及其數(shù)據(jù)庫(kù)，從而更加有效地提高了分析時(shí)的數(shù)據(jù)處理能力。二、金屬材料加工與計(jì)算機(jī)模擬用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)試生產(chǎn)、減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、動(dòng)態(tài)顯示材料加工和制備工藝的各個(gè)物理量的演變歷程和空間分布、預(yù)測(cè)缺陷和優(yōu)化工藝流程，極大地縮短了試制周期、減少勞動(dòng)力成本、提高生產(chǎn)率。第二十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、塑料加工中的計(jì)算機(jī)模擬 利用各種加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助工程CAE，實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料制品造型、大量數(shù)據(jù)調(diào)用、人機(jī)對(duì)話，屏幕顯示模擬實(shí)際的成型過程、預(yù)測(cè)塑料制件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和成型條件對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，從而能夠方便、快捷地修改，尋求最佳的成型過程，使新的成型制品在較短的周期內(nèi)順利投產(chǎn)。 現(xiàn)已有多種塑料加工CAE軟件。第二十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五章材料數(shù)據(jù)庫(kù)

和新材料、新合金 第一節(jié)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)的進(jìn)行集合及其管理、利用，從而對(duì)工程數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，用于存儲(chǔ)、管理和使用面向工程設(shè)計(jì)所需要的工程數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模型，這是將工程方法與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)結(jié)合起來，并將人工智能及專家系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，建成智能化的CAD/CAM集成系統(tǒng)。一、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)的管理經(jīng)歷了人工管理、文件管理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理幾個(gè)階段?，F(xiàn)階段廣泛使用的是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模型，具有簡(jiǎn)單清晰、易于理解和掌握。之后有了各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，如分布式數(shù)據(jù)庫(kù)、工程數(shù)據(jù)庫(kù)、模糊數(shù)據(jù)庫(kù)、并行數(shù)據(jù)庫(kù)及其多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)等?，F(xiàn)在又出現(xiàn)了面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)。第二十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

DBMS極大地方便了用戶對(duì)數(shù)據(jù)的使用與管理，減輕用戶的工作量和復(fù)雜性，提高了數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性，常見的關(guān)系型DBMS有：dBASEFoxBaseFoxProINFORMIXORACLEDB2對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、使用和維護(hù)都是在DBMS的統(tǒng)一管理和控制下進(jìn)行的，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)通常有數(shù)據(jù)描述和操縱語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)管理控制程序、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)程序三部分組成。三、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三個(gè)部分及三級(jí)模式數(shù)據(jù)庫(kù)：結(jié)構(gòu)化的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，有數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性。物理存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的介質(zhì)，如光盤、磁盤、磁帶等。數(shù)據(jù)庫(kù)軟件：負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理和維護(hù)的軟件，其核心是DBMS。第二十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的主要特征 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)具有下列特征：數(shù)據(jù)共享：多用戶同時(shí)使用全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)獨(dú)立性：每個(gè)用戶所使用的數(shù)據(jù)有其自身的邏輯機(jī)構(gòu)減少數(shù)據(jù)冗余：數(shù)據(jù)集中管理，統(tǒng)一組織、定義和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化：數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)和記錄類型的相互關(guān)聯(lián)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)保護(hù)功能：并發(fā)控制的問題，加強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)五、工程數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)歷了第一代的層次數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，第二代的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，直到現(xiàn)在的第三代的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，從而滿足了現(xiàn)在要在數(shù)據(jù)庫(kù)中存放和管理的諸如多媒體數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、復(fù)雜對(duì)象、圖像對(duì)象、知識(shí)和超文本等工程數(shù)據(jù)的需求，也就有了面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以適合于CAD、CAM、CIM等工程應(yīng)用領(lǐng)域。要建立工程數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)首先需要選擇合適的DBMS作為其開發(fā)平臺(tái)，再將工程數(shù)據(jù)映射成DBMS支持的數(shù)據(jù)模型，利用DBMS提供的數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言和數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)，提供操縱數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的用戶界面。第二十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二節(jié)材料科學(xué)與工程數(shù)據(jù)庫(kù)一、材料數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展對(duì)于材料數(shù)據(jù)而言，其數(shù)據(jù)量十分龐大，目前世界上已有的工程材料數(shù)據(jù)庫(kù)有數(shù)十萬種，各種化合物大幾百萬種。材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能及使用等構(gòu)成了龐大的信息體系，它們依然在不斷更新和擴(kuò)大。材料中成分的組合若進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的話，將耗時(shí)、耗力，如果利用材料數(shù)據(jù)庫(kù)和其他信息處理技術(shù)則可以極大地減少研制工作量、縮短研究周期、降低成本和提高效率。計(jì)算機(jī)材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)具有下列有點(diǎn)：儲(chǔ)存信息量大且存取速度快查詢方便，由材料查性能，也可以由性能查材料。通過比較不同材料的性能數(shù)據(jù)，進(jìn)行選材或材料代用。使用靈活，即使對(duì)材料的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充、更新和修改。功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)單位的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、圖形化表示數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)的派生。應(yīng)用廣泛，配合CAD、CAM實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助選材，還可以設(shè)計(jì)材料性能預(yù)測(cè)或材料設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)。第二十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五現(xiàn)有的材料數(shù)據(jù)庫(kù)主要是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家開發(fā)研制的，而國(guó)內(nèi)的相關(guān)單位也進(jìn)行了不斷的探索，取得了一定成績(jī)，如清華大學(xué)材料研究所等單位于1990年聯(lián)合建成的新材料數(shù)據(jù)庫(kù)，它采用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，含有新型金屬和合金、精細(xì)陶瓷、新型高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料和非晶態(tài)材料五個(gè)子庫(kù)，這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)主要內(nèi)容有：材料牌號(hào)材料產(chǎn)地材料成分技術(shù)條件材料等級(jí)材料性能材料評(píng)價(jià)今后的材料數(shù)據(jù)庫(kù)是向網(wǎng)絡(luò)版方向發(fā)展。二、材料數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用舉例1.用PC-PDF檢索系統(tǒng)分析PVD表面涂層X衍射PDF卡片（PowderDiffractionFile），即粉末衍射文檔，用于研究X衍射相分析，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行檢索、處理PDF卡片。第三十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五由美、英、法和加等國(guó)家開發(fā)的PC－PDF可在下載該軟件的演示版DEMO。2.二元相圖數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)合金相圖可以了解合金中各種組織的形成及變化規(guī)律，從而研究合金組織與性能之間的關(guān)系。合金相圖是用圖解的方法表示合金系中合金狀態(tài)、溫度和成分之間的關(guān)系。利用相圖就可以知道各種成分的合金在不同溫度下有哪些相，各相的相對(duì)含量、成分以及溫度變化時(shí)可能發(fā)生的變化?，F(xiàn)在已有了通過各種方法測(cè)定得到的大量二元、三元相圖，利用它們來為新材料的研究、新工藝的開發(fā)提供有效的工具。相圖的量非常大，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為相圖的管理提供了必要的條件。美國(guó)金屬學(xué)會(huì)ASM和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局NIST通過在世界上征集和其他各種渠道、收集了最完整的相圖資料，開發(fā)出相圖數(shù)據(jù)庫(kù)相圖，包含二元和三元合金相圖數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其二元合金相圖數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)現(xiàn)有4700余幅二元合金相圖。見P123、P124。第三十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)及估算隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。FACT(FacilityfortheAnalysisofChemical Thermodynamics)由加拿大蒙特利爾多學(xué)科性工業(yè)大學(xué)計(jì)算熱力學(xué)中心為主開發(fā)，它包括了物質(zhì)和溶液兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)及一套熱力學(xué)和相圖等的優(yōu)化計(jì)算軟件。FACT收集并整理了有關(guān)Internet網(wǎng)絡(luò)無機(jī)熱化學(xué)網(wǎng)絡(luò)地址，形成了一個(gè)虛擬的無機(jī)熱化學(xué)中心。在FACT的網(wǎng)上用得最多得應(yīng)用程序有Compound-Web、Reaction-Web、Euilib-Web和Aqua-Web。它們是用CGI，有人機(jī)交互功能。(http://www.crct.polymtl.ca)Internet上的相圖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)提供了很多免費(fèi)的相圖，喬治亞洲工學(xué)院（GeorgiaInstituteofTechnology）的網(wǎng)站/asm-tms/phase-diagrams和SGTE的網(wǎng)站都提供了相圖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。http://www.met.kth.se/pd中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所提供了一個(gè)工程化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)

中國(guó)科學(xué)院科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)上也有多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)第三十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三節(jié)專家系統(tǒng)一、專家系統(tǒng)的歷史和發(fā)展ExpertSystem源于人類專家的知識(shí)，應(yīng)用人工智能技術(shù)，工具一個(gè)或多個(gè)人類專家提供的特殊領(lǐng)域的只是、經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家作出決斷的過程，解決那些原來只有工業(yè)專家自己才能解決的各種各樣的復(fù)雜問題，專家系統(tǒng)實(shí)際上是一種計(jì)算機(jī)程序，在某一特定領(lǐng)域內(nèi)，能夠利用知識(shí)和推理來解決人類專家才能解決的問題。二、專家系統(tǒng)的工作原理完整的專家系統(tǒng)由六個(gè)部分組成：知識(shí)庫(kù)：用于存放領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑膶ｉT知識(shí)，它有知識(shí)的數(shù)量和質(zhì)量之分，要選擇合適的知識(shí)表達(dá)方式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、把專家的知識(shí)形式化并存入知識(shí)庫(kù)中.工作數(shù)據(jù)庫(kù)：包含問題的有關(guān)初始數(shù)據(jù)和求解過程的中間信息組成。推理機(jī)：它要解決如何選擇和使用知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)，并運(yùn)用適當(dāng)?shù)目刂撇呗赃M(jìn)行推理來實(shí)現(xiàn)問題的求解。第三十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五知識(shí)獲取機(jī)制：實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)，在系統(tǒng)使用過程中能自動(dòng)獲取知識(shí)，不斷完善擴(kuò)大現(xiàn)有系統(tǒng)功能。解釋機(jī)制：專家系統(tǒng)在通用戶的交互過程中，回答用戶提出的各種問題，包括與系統(tǒng)運(yùn)行有關(guān)的求解過程和與運(yùn)行無關(guān)的關(guān)于系統(tǒng)自身的一些問題。人機(jī)接口：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶之間的雙向信息轉(zhuǎn)換，即系統(tǒng)將用戶的輸入信息翻譯成系統(tǒng)可以接受的內(nèi)部形式，或把系統(tǒng)向用戶輸出的信息轉(zhuǎn)換成人類所熟悉的信息表達(dá)方式。三、專家系統(tǒng)的類型按照工程中求解問題的不同性質(zhì)，將專家系統(tǒng)分為下列幾類：解釋專家系統(tǒng)：通過對(duì)已知信息和數(shù)據(jù)的分析與解釋，確定它們的含義，如圖像分析、化學(xué)結(jié)構(gòu)分析和信號(hào)解釋等。預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)：通過對(duì)過去和現(xiàn)在已知狀況的分析，推斷未來可能發(fā)生的情況，如天氣預(yù)報(bào)、人口預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)、軍事預(yù)測(cè)。診斷專家系統(tǒng)：根據(jù)觀察到的情況來推斷某個(gè)對(duì)象機(jī)能失常（即故障）的原因，如醫(yī)療診斷、軟件故障診斷、材料失效診斷等。設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)：工具設(shè)計(jì)要求，秋初滿足設(shè)計(jì)問題約束的目標(biāo)配置，如電路設(shè)計(jì)、土木建筑工程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)等。第三十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五規(guī)劃專家系統(tǒng)：找出能夠達(dá)到給定目標(biāo)的動(dòng)作序列或步驟，如機(jī)器人規(guī)劃、交通運(yùn)輸調(diào)度、工程項(xiàng)目論證、通信與軍事指揮以及農(nóng)作物施肥方案等。監(jiān)視專家系統(tǒng)：對(duì)系統(tǒng)、對(duì)象或過程的行為進(jìn)行進(jìn)行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應(yīng)當(dāng)具有的行為進(jìn)行比較，以便發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報(bào)，如核電站的安全監(jiān)視等?？刂茖＜蚁到y(tǒng)：自適應(yīng)地管理一個(gè)受控對(duì)象的全面行為，使之滿足預(yù)期的要求，如空中交通管制、商業(yè)管理、作戰(zhàn)管理、自主機(jī)器人控制、生產(chǎn)過程控制等。四、典型專家系統(tǒng)的分析1.熱處理工藝專家系統(tǒng)，見P131第三十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第六章材料加工過程的計(jì)算機(jī)控制微機(jī)和可編程控制器在材料加工過程中的應(yīng)用可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著改善產(chǎn)品質(zhì)量和精度，從而提高產(chǎn)量。計(jì)算機(jī)在材料加工中的應(yīng)用有下列幾個(gè)方面：物化性能測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和處理加工過程自動(dòng)控制（主要探討的內(nèi)容）計(jì)算機(jī)輔助模具設(shè)計(jì)和制造材料加工過程的全面質(zhì)量管理第一節(jié)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)在材料加工控制領(lǐng)域中，運(yùn)用較多的是微機(jī)和可編程控制器（ProgrammableController，簡(jiǎn)稱PC），材料加工過程中的基本單元控制一般由可編程控制器或微機(jī)控制系統(tǒng)完成，而復(fù)雜的生產(chǎn)線可由可編程控制器和微機(jī)控制系統(tǒng)共同完成。一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的概念1.生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展第三十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五生產(chǎn)過程進(jìn)行的好壞可以從一個(gè)或若干個(gè)工藝參數(shù)上反映出來，，如溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、成分等。而自動(dòng)控制的任務(wù)就是在滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下，使這些變量穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，或者按照預(yù)定的規(guī)律變化，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗的目的。工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)隨控制對(duì)象、控制規(guī)律和所采用的控制器結(jié)構(gòu)的不同而由很大的差別。P151的圖6-1所示的是一個(gè)典型的定值控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是用了一、二次常規(guī)儀表，當(dāng)被控參數(shù)很多時(shí)，需要的二次儀表就會(huì)很多，也會(huì)分散而不便于集中管理。2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本原理及一般概念若將P151的圖6-1中的調(diào)節(jié)器用計(jì)算機(jī)來代替，則就是一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，但由于計(jì)算機(jī)只能接受數(shù)字信號(hào)，所以系統(tǒng)中要有用于數(shù)字與模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換器，即A/D、D/A，見P152的圖6-2。由于工業(yè)生產(chǎn)過程一般均是連續(xù)進(jìn)行的，所以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通常是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)是指三個(gè)方面的含義：實(shí)時(shí)檢測(cè)：檢測(cè)被控對(duì)象的被控參數(shù)并通過A/D轉(zhuǎn)換制送入計(jì)算機(jī)中。實(shí)時(shí)決策：計(jì)算機(jī)將檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行及時(shí)處理（分析、比較、運(yùn)算），將結(jié)果迅速返回、輸出。實(shí)時(shí)控制：計(jì)算機(jī)依運(yùn)算、決策的結(jié)果，發(fā)出控制指令，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換給工業(yè)自動(dòng)化儀表（執(zhí)行機(jī)構(gòu)），完成對(duì)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)控制。第三十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類分類是依據(jù)控制目的和控制方式進(jìn)行，有如下四類：開環(huán)控制系統(tǒng)：只是進(jìn)行對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和不正常情況的報(bào)警，并對(duì)測(cè)量的各生產(chǎn)參數(shù)處理，比較預(yù)先設(shè)定值，輸出結(jié)果。這種系統(tǒng)通常用于生產(chǎn)過程的巡回檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理、操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)。P153的圖6-3就是計(jì)算機(jī)操縱指導(dǎo)控制系統(tǒng)組成圖示。閉環(huán)控制系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)對(duì)被控的工況參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、分析、處理并且在可以打印和顯示，同時(shí)將處理結(jié)果（控制信號(hào)）通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋給被控對(duì)象，實(shí)施對(duì)生產(chǎn)過程的控制，從而使被控對(duì)象、檢測(cè)元件、計(jì)算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)路。這里的計(jì)算機(jī)可以集檢測(cè)儀表、控制器、執(zhí)行器的功能為一體。常見的閉環(huán)控制系統(tǒng)有直接數(shù)字控制系統(tǒng)DDC和監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC。由于DDC對(duì)生產(chǎn)過程直接影響的被控參數(shù)的設(shè)定值是預(yù)先設(shè)定的，所以DDC不能根據(jù)生產(chǎn)過程條件和生產(chǎn)工藝參數(shù)信息的變化及時(shí)修改，故DDC控制方式無法使生產(chǎn)過程處于最佳狀態(tài)；而SCC中是依據(jù)外圍設(shè)備傳送來的各種工況參數(shù)（測(cè)量值）和其他信息（給定值），按照預(yù)先編好的描述生產(chǎn)過程數(shù)學(xué)模型和最優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算的應(yīng)用程序，實(shí)時(shí)計(jì)算出既定工藝條件下的給定值，再返回DDC級(jí)，從而自動(dòng)改變（重新設(shè)定）模擬調(diào)節(jié)器或DDC工控機(jī)的給定值，使生產(chǎn)過程在最優(yōu)化的狀態(tài)下進(jìn)行。SCC的2種結(jié)構(gòu)：SCC+模擬調(diào)節(jié)器的控制系統(tǒng)，SCC+DCC的控制系統(tǒng)。P155的圖6-4是第二種結(jié)構(gòu)形式。第三十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五分布式控制系統(tǒng)：多臺(tái)微處理器或微機(jī)分別擔(dān)任部分控制任務(wù)，它將控制功能進(jìn)行分散，用多臺(tái)計(jì)算機(jī)分別執(zhí)行不同的控制功能。這種控制系統(tǒng)特別適用于經(jīng)營(yíng)管理和生產(chǎn)過程分別由幾級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，而系統(tǒng)的每一級(jí)都有自己的功能，基本上是獨(dú)立的，但各級(jí)之間相互又有一定的聯(lián)系，相互之間實(shí)現(xiàn)通信。P155的圖6-5就是分布式控制系統(tǒng)的圖示。集散控制系統(tǒng)（DistributionControlSystem，DCS）：以微處理器為基礎(chǔ)的集中分散控制系統(tǒng)，它集微機(jī)、工控機(jī)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、顯示操作系統(tǒng)、過程通道、模擬儀表等為一體，構(gòu)成了一個(gè)全新的控制系統(tǒng)。P156的圖6-6就是DCS的基本結(jié)構(gòu)圖示。DCS的主要特點(diǎn)：1.實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制各個(gè)過程控制單元安裝在距現(xiàn)場(chǎng)較近的地方并且只控制少量回路，單元相互用數(shù)據(jù)通道進(jìn)行連接，再接入中央控制室及其他單元控制室，從而有效分散了風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。2.利用數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)綜合控制數(shù)據(jù)通道承載了多種信號(hào)，實(shí)現(xiàn)真正的綜合控制。3.利用操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和操作不僅顯示任何一個(gè)分散過程單元的全部信息，還可以通過鍵盤或鼠標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的高級(jí)功能的目的。第三十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制和管理利用監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的管理功能，包含各類數(shù)據(jù)、報(bào)表、狀態(tài)趨勢(shì)等信息。5.算法優(yōu)先、精度高、響應(yīng)速度快、安全可靠、維護(hù)方便。DCS發(fā)展之后就是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。二.計(jì)算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)的基本功能及其結(jié)構(gòu)組成基本功能：模擬量參數(shù)的采集、轉(zhuǎn)換及屏幕顯示模擬量參數(shù)的越線報(bào)警（聲、光的形式）被控參數(shù)的閉環(huán)自動(dòng)控制各種流量的累計(jì)計(jì)算，用于統(tǒng)計(jì)計(jì)算各種開關(guān)量輸入信號(hào)的檢測(cè)與各種開關(guān)量輸出信號(hào)的控制，用于設(shè)備的啟停與各種連鎖保護(hù)生產(chǎn)工藝流程圖及各種被控參數(shù)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)曲線的屏幕顯示、便于操作人員及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的操縱和控制工藝參數(shù)的記錄及打印，以便保存生產(chǎn)技術(shù)資料做經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考核完成與上位機(jī)的通信，將下位機(jī)的各檢測(cè)參數(shù)和各流量累計(jì)值通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，從而接收到上位機(jī)的監(jiān)督控制第四十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五微機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)的硬件組成如圖6-7所示，共有五個(gè)部分：外圍設(shè)備：是輸入輸出過程通道，完成各類工況參數(shù)的轉(zhuǎn)換、輸入外部設(shè)備：即鍵盤、打印機(jī)、顯示器等設(shè)備主機(jī)：依據(jù)工況參數(shù)采用計(jì)算機(jī)控制軟件對(duì)信息進(jìn)行處理、分析和計(jì)算，并作出相應(yīng)的控制決策或調(diào)節(jié)，通過輸出通道發(fā)出控制命令工業(yè)對(duì)象：就是要進(jìn)行控制的工藝設(shè)備工業(yè)自動(dòng)化儀表：這是外圍設(shè)備與工業(yè)對(duì)象之間的橋梁，儀表的種類有多種，如檢測(cè)儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等微機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)的軟件均位適合于不同控制對(duì)象或控制任務(wù)的控制程序，它們具有數(shù)據(jù)處理、分析計(jì)算的功能。三、計(jì)算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)的分類和選擇單片機(jī)：集成了CPU、存儲(chǔ)器，加上一些擴(kuò)展接口如A/D、D/A和相應(yīng)的軟件即可可編程序邏輯控制器PLC：應(yīng)用最為廣泛，由微處理器進(jìn)行控制，用LSI作為存儲(chǔ)器及I/O接口，PLC有強(qiáng)大的邏輯控制和定時(shí)功能?，F(xiàn)在已將可編程序邏輯控制器命名為可編程序控制器，簡(jiǎn)稱為PC。STD總線工業(yè)控制機(jī)：就是工控機(jī)，采用模塊式結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)、可靠性高、系統(tǒng)組成靈活，有各類功能擴(kuò)展板工業(yè)PC機(jī)：結(jié)合了個(gè)人計(jì)算機(jī)PC軟件資源豐富、軟件開發(fā)便捷的特點(diǎn)，而結(jié)構(gòu)上采用了工控機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。第四十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、計(jì)算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和基本要求高可靠性可維護(hù)性環(huán)境適應(yīng)性控制的實(shí)時(shí)性和中斷系統(tǒng)完善的外圍設(shè)備和指令系統(tǒng)有正確反映生產(chǎn)過程規(guī)律的數(shù)學(xué)模型和完善的軟件系統(tǒng)第二節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出一、檢測(cè)技術(shù)從多個(gè)不能直接輸入計(jì)算機(jī)處理的被檢測(cè)的物理量中提取所需要的信息，但這些物理量通常是非電量信號(hào)如溫度、壓力、位移、流量、重量等，還需要將它們轉(zhuǎn)換為電壓或電流等信號(hào)，而轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)也應(yīng)該能正確地反映相應(yīng)物理量的實(shí)際變化情況。傳感器：借助于敏感元件，接受物理量形式的信息，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或另一種物理量信息的變化。材料工程中常用到的有用于測(cè)溫度的傳感器如熱電偶、熱電阻；非接觸式的測(cè)溫儀表如輻射式溫度計(jì)、亮度溫度計(jì)等；用于碳勢(shì)或氮式檢測(cè)的紅外儀、氧探頭、氮分解儀等。變送器：類似與傳感器，但轉(zhuǎn)換后的信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的（0～5V或0～10mA等）。當(dāng)今的技術(shù)發(fā)展式將傳感器和變送器功能合而為一，出現(xiàn)多參數(shù)的變送器并且智能化。第四十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、控制儀表與裝置1.調(diào)節(jié)器：有比例P、積分I、微分D三種基本的調(diào)節(jié)器，它們均是在接受偏差信號(hào)后按各自的規(guī)律運(yùn)算，輸出信號(hào)來調(diào)節(jié)。但很少有這三種調(diào)節(jié)器單獨(dú)使用的，通常是相互結(jié)合使用，共同組成比例積分PI、比例微分PD、比例積分微分PID調(diào)節(jié)器。2.執(zhí)行器：D/A轉(zhuǎn)換輸出的模擬量信號(hào)是0～5V或0～10mA，經(jīng)過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)信號(hào)后送入執(zhí)行器，執(zhí)行器有三大類，即氣動(dòng)、電動(dòng)和智能執(zhí)行器。三、輸入輸出過程通道過程通道包含了對(duì)數(shù)字量和模擬量的D/A、A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字量（開關(guān)量）的I/O等，所以就有模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道和數(shù)字量輸出通道，詳見P169圖6-9和圖6-10。第三節(jié)材料加工的計(jì)算機(jī)控制一、高分子材料加工的計(jì)算機(jī)控制(一)注塑機(jī)的計(jì)算機(jī)控制 有順序控制、過程控制（速度、壓力、轉(zhuǎn)速、溫度）、制品的質(zhì)量控制、集中管理和集中監(jiān)視控制。P171圖6-11、圖6-12和圖6-13。(二)塑料擠出過程的計(jì)算機(jī)控制

P177圖6-14(三)薄膜吹塑輸出過程的計(jì)算機(jī)控制

P179圖6-16第四十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、金屬材料加工的計(jì)算機(jī)控制加熱爐的溫度、時(shí)間、氣氛和工序動(dòng)作的計(jì)算機(jī)控制，見P180圖6-17。三、無機(jī)非金屬材料燒成的計(jì)算機(jī)控制見P183圖6-18和見P184圖6-19。第四十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第七章計(jì)算機(jī)在材料檢測(cè)中的應(yīng)用材料的性能主要決定于它的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分不同的材料具有不同的性能，而相同成分的材料經(jīng)過不同的加工處理而具有不同的組織結(jié)構(gòu)時(shí)，也將具有不同的性能。所以通過對(duì)材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及物理性的檢測(cè)，能更加清晰地揭示材料的深?yuàn)W秘密。第一節(jié)材料成分的檢測(cè)通過改變材料的成分可以調(diào)整材料的性能，這是利用材料的合成和制備完成的，所以對(duì)材料的成分進(jìn)行細(xì)致的檢測(cè)是必要的。目前有許多大型分析設(shè)備用于材料成分的檢測(cè)：電子顯微鏡類 掃描探針顯微鏡（SPM） 掃描電鏡（SEM） 透射電鏡（TEM）第四十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五衍射儀類

X射線衍射儀 電子衍射儀譜儀類紅外光譜儀原子吸收譜儀激光光譜儀一、分析電子顯微方法這是從微觀尺度認(rèn)識(shí)和研究材料的非常重要的手段。在分析電子顯微方法中有許多種：電子能量損失譜法（EELS）這種方法是分析電子顯微方法中重要的技術(shù)之一，對(duì)輕元素的分析特別有效，還可以對(duì)材料的微區(qū)組成進(jìn)行定量分析。X射線能譜法（EDS）

它也是分析電子顯微方法中的成熟的基本技術(shù)，利用電子掃描觀察裝置，使電子束在待測(cè)試樣上作二維掃描，測(cè)量其特征X射線的強(qiáng)度，從而得到特征X射線強(qiáng)度的二維分布圖像，這種觀察稱為元素的面分布分析方法，所以對(duì)測(cè)量元素的二維分布極為有效。第四十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五高角度散色暗場(chǎng)法（STEM），即Z襯度法這是掃描透射電子顯微方法應(yīng)用之一。上述的各種分析設(shè)備幾乎都是在計(jì)算機(jī)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的控制下進(jìn)行工作，而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)都配備了不同的設(shè)備控制、數(shù)據(jù)處理分析軟件，且功能強(qiáng)大，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析精度和詳盡程度是人工無法比擬的。在這些計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理軟件，分為三類：計(jì)算、模擬軟件輸入被測(cè)材料的名稱、實(shí)驗(yàn)條件和分析要求，系統(tǒng)按某個(gè)計(jì)算模型或公式輸出計(jì)算結(jié)果，這樣就可以用于實(shí)驗(yàn)前的結(jié)果預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果對(duì)比和數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)分析、圖像分析軟件

依據(jù)控制實(shí)驗(yàn)條件而得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖像或是圖譜數(shù)據(jù)），并按指定的公式運(yùn)算處理，可以得到計(jì)算、分析的結(jié)果。設(shè)備控制軟件

可以控制分析設(shè)備進(jìn)行工作，輸入選擇的分析要求、實(shí)驗(yàn)條件，分析設(shè)備裝置按照這些選擇運(yùn)行分析過程。

第四十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、各種光譜儀方法光譜分析是依據(jù)樣品物質(zhì)的特征光譜，研究其化學(xué)成分和存在狀態(tài)。光譜分析在材料成分分析和結(jié)果分析中起著重要的作用，因?yàn)槊糠N元素的原子都有自己的特征光譜，根據(jù)特征譜線的存在與否，就可以確定樣品中是否存在這種元素。每種元素的特征光譜通常包括很多譜線，判斷元素的存在并不需要將元素所有譜線都找出來，而只需要找出2～3根靈敏線即可。因?yàn)殪`敏線事一些激發(fā)電位低得光譜線，它們強(qiáng)度大，在很低含量就能出現(xiàn)，所以材料成分的定性分析就用它們來作分析線，和元素光譜圖進(jìn)行對(duì)比分析，依據(jù)兩者中是否有重合的譜線位置，從而可以判斷樣品中存在的元素（元素光譜圖是標(biāo)注了許多元素靈敏線的波長(zhǎng)位置和強(qiáng)度級(jí)別的圖片）。有三類光譜：光學(xué)光譜它包括在紫外光、可見光或近紅外光。通過測(cè)定特征譜線的波長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)樣品元素的定性分析，而通過測(cè)定某一譜線的發(fā)射或吸收的相對(duì)強(qiáng)度就可以對(duì)樣品進(jìn)行定量分析。第四十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五X射線光譜

它是把樣品物質(zhì)激發(fā)出的特征X射線依波長(zhǎng)或能量展平即得到波長(zhǎng)或能譜，再將待分析元素的特征譜線辨認(rèn)出來并測(cè)得它們的強(qiáng)度，據(jù)此進(jìn)行材料的化學(xué)分析成分分析。微波輻射光譜定量分析是依據(jù)被分析元素譜線的強(qiáng)度確定其濃度，也有3種方法：峰值比較法根據(jù)特征譜線峰值強(qiáng)度和已知的參考標(biāo)準(zhǔn)譜線峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的含量比較而標(biāo)出濃度。顯線法被測(cè)元素的譜線數(shù)目隨該元素含量的增加而增加，但某元素達(dá)到最低含量值，該元素的靈敏線將出現(xiàn)，隨著元素含量逐漸增加會(huì)出現(xiàn)次靈敏線和弱線，這樣通過標(biāo)準(zhǔn)樣品的校準(zhǔn)就可以把元素含量和相應(yīng)譜線數(shù)目制成元素的分析線表，測(cè)量對(duì)比即可。內(nèi)標(biāo)法選用一條比較譜線即性質(zhì)相近的元素譜線做內(nèi)標(biāo)譜線，用測(cè)量分析線與比較譜線的強(qiáng)度比來確定被分析元素的濃度。

計(jì)算機(jī)控制光譜儀的原理圖見P189圖7-1。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常用到一些在線快速檢測(cè)分析的計(jì)算機(jī)光譜儀測(cè)控系統(tǒng)。

第四十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二節(jié)材料組織結(jié)構(gòu)的檢測(cè)檢測(cè)直接影響材料性能的材料組織，評(píng)價(jià)材料缺陷，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。一、金相圖像分析系統(tǒng)計(jì)算機(jī)金相圖像分析系統(tǒng)在自動(dòng)檢測(cè)方面具有較高的測(cè)量精度，其測(cè)量速度快，重現(xiàn)性好，并且能連接金相顯微鏡、掃描電鏡和數(shù)碼相機(jī)等外設(shè)，又有功能全面的圖像編輯功能有多個(gè)例子在P191～P195二、材料缺陷的計(jì)算機(jī)評(píng)定材料缺陷檢測(cè)、分級(jí)評(píng)定和材料缺陷對(duì)性能的影響研究也是材料組織檢測(cè)的一項(xiàng)，它們也是保證產(chǎn)品質(zhì)量的主要環(huán)節(jié)之一。選擇可以利用計(jì)算機(jī)圖像處理與模式識(shí)別技術(shù)來進(jìn)行材料缺陷特征參數(shù)的研究，可以實(shí)現(xiàn)材料缺陷圖像獲取、材料缺陷檢出、材料缺陷識(shí)別、材料缺陷尺寸測(cè)量和分級(jí)評(píng)定等功能，基本上是自動(dòng)化的。例：電站設(shè)備零部件缺陷的計(jì)算機(jī)評(píng)定（參見P196圖7-2）三、測(cè)量顯微組織的計(jì)算機(jī)仿真有了大量的測(cè)量顯微組織檢測(cè)后，就可以找出材料組織及其性能之間的關(guān)系和變化規(guī)律，由此利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，從而建立材料的顯微組織模型，反之還可以利用顯微組織模型去推測(cè)材料的性能而不是檢測(cè)材料的性能。P198的顆粒復(fù)合材料顯微組織的計(jì)算機(jī)仿真。第五十頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三節(jié)材料力學(xué)性能的檢測(cè)機(jī)器的零件受力情況千變?nèi)f化，所以必須保證零件具有一定的強(qiáng)度和塑性，即各種強(qiáng)度、韌度、硬度的影響，而材料的這些力學(xué)性能主要取決于材料的化學(xué)成分和微觀組織。一、萬能材料試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)CATP200圖7-3二、專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)1.沖擊實(shí)驗(yàn)裝置

P203圖7-42.沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理第四節(jié)材料物理性能的測(cè)量材料的物理性能是指其電、熱、磁等多方面，測(cè)試的方法非常多，測(cè)試設(shè)備也多種多樣，而將這些設(shè)備與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，可以更加快速、準(zhǔn)確地完成測(cè)量工作。一、磁性測(cè)量中的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理二、超導(dǎo)測(cè)量性能特性曲線計(jì)算機(jī)測(cè)量三、金屬熔點(diǎn)附近熱物性參數(shù)的計(jì)算機(jī)測(cè)量第五十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五第八章材料科學(xué)研究中的數(shù)據(jù)與圖像處理對(duì)材料研究中的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，如計(jì)算、繪圖、擬合分析等，這些功能現(xiàn)在均可利用軟件來完成?，F(xiàn)討論MicrocalSoftware公司的OriginV6.0，它可以對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行一般處理與繪圖，主要的功能有：對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理和一般的統(tǒng)計(jì)分析，如記數(shù)、排序、求均值和標(biāo)準(zhǔn)差、快速傅立葉變換、比較兩列均值的差異、回歸分析。用數(shù)據(jù)作圖（用圖形顯示數(shù)據(jù)之間的關(guān)系）。用性多種函數(shù)擬合曲線。第一節(jié)材料研究中的數(shù)據(jù)處理一、Origin軟件的基本功能和使用方法（－）Origin軟件的窗口組成標(biāo)題欄、菜單欄、窗口主體、文件顯示欄、狀態(tài)欄第五十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五（二）在Origin數(shù)據(jù)表中輸入、編輯和保存數(shù)據(jù)1.輸入數(shù)據(jù)可以用Column/AddNewColumn添加新的列數(shù)據(jù)。要先把準(zhǔn)備處理或繪圖的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，再讓Origin做數(shù)據(jù)加工。可以采用3種方法輸入數(shù)據(jù)：鍵盤復(fù)制其他數(shù)據(jù)文件

這是利用剪貼板來完成，可以將Word文件表格中的數(shù)據(jù)、Excel中的數(shù)據(jù)和別的軟件中的數(shù)據(jù)復(fù)制到Origin中從已有的數(shù)據(jù)文件中讀入數(shù)據(jù)這是方便、迅速和準(zhǔn)確的方法，特別對(duì)于大量數(shù)據(jù)的情形更具優(yōu)勢(shì)，這就是數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能，導(dǎo)入時(shí)兼容了很多的數(shù)據(jù)格式，如二進(jìn)制、文本格式、Excel(.xls)、數(shù)據(jù)庫(kù)(.dbf)等。讀取Origin二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件

File/Open,在文件夾中選取擴(kuò)展名為.ooj的文件打開讀取其他格式的數(shù)據(jù)文件

在數(shù)據(jù)頁(yè)窗口中，F(xiàn)ile/Import，在文件夾中選取相應(yīng)的文件打開第五十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五在一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)中讀入多個(gè)數(shù)據(jù)文件

在數(shù)據(jù)頁(yè)中讀入第一個(gè)數(shù)據(jù)文件后，再再數(shù)據(jù)列的右邊添加足夠新列，點(diǎn)擊列上部，重復(fù)File/Import，在文件夾中選取相應(yīng)的文件步驟打開多個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)，并在其中讀入數(shù)據(jù)文件，可以用File/New/Worksheet,此時(shí)會(huì)打開一個(gè)新的空白數(shù)據(jù)頁(yè)，然后利用書面的方法讀入或輸入數(shù)據(jù)在Column菜單下的FillColumnWith選項(xiàng)提供了3種快速輸入一列數(shù)據(jù)的功能

2.編輯數(shù)據(jù)

(1)刪除 用Edit/Clear來清除(置為空白而非零)所選數(shù)據(jù)格中的數(shù)據(jù)、用Edit/Delete則時(shí)刪除所選的數(shù)據(jù)格。(2)刪除數(shù)據(jù)列(行)

選定一列或一行，用Edit/Clear進(jìn)行清空白，用Edit/Delete則時(shí)刪除一列或一行。(3)修改數(shù)據(jù)選定數(shù)據(jù)格后進(jìn)行。(4)改變列的數(shù)據(jù)類型和屬性 先在數(shù)據(jù)頁(yè)中選定一個(gè)數(shù)據(jù)列，只能有一個(gè)X列，多個(gè)Y列、Z列，數(shù)據(jù)類型可以是數(shù)值、字符、時(shí)間、日期、月份、星期等。第五十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五(5)改變數(shù)據(jù)屬性Column/Set…(6)改變數(shù)據(jù)類型 Column/Option (7)改變數(shù)據(jù)列名稱Format/Column3.保存和輸出數(shù)據(jù)(1)以ASCII文本方式保存數(shù)據(jù)File/ExportASCII(2)Origin的二進(jìn)制方式保存數(shù)據(jù)File/Save.opj(三)數(shù)據(jù)運(yùn)算對(duì)數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)利用函數(shù)進(jìn)行賦值、計(jì)算，用Column/SetColumnValues打開對(duì)話框。(四)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算1.數(shù)據(jù)按某列的升序或降序排列選定要排序的列后，用Analysis/SortColumn來選擇Ascending(升序)或Descending(降序)或Custom(按字母順序)排序。2.按列求和、均值和標(biāo)準(zhǔn)差選擇列后，用Analysis/StatisticsonColumn進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如和Sum、均值Mean和標(biāo)準(zhǔn)下差sd等3.按行求均值和標(biāo)準(zhǔn)差選擇行后，用Analysis/StatisticsonRow進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。4.一組(列)數(shù)據(jù)的t-檢驗(yàn)(均值與期望值比較)第五十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.兩組(列)數(shù)據(jù)的t-檢驗(yàn)(比較X和Y兩列數(shù)據(jù)的均值)6.多元線性回歸含有多個(gè)變量，回歸式為y=y0+a1x1+a2x2+a3x3+…求出定量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，找到其中的各個(gè)系數(shù)ai，要選擇兩個(gè)或兩個(gè)以上的Y數(shù)據(jù)列，用Analysis/MultipleRegression后就有分析結(jié)果。P217例材料中三種不同的正離子x1、x2、x3與離子的電導(dǎo)率，求出離子的電導(dǎo)率與離子的多元線性回歸式。

(五)繪圖對(duì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖、曲線擬合和分辯，繪制的圖形有二維、三維，均用Plot菜單完成。Origin自帶有模板，也可由用戶自己創(chuàng)建模板。1.繪制二維圖(散點(diǎn)分布圖、線圖或點(diǎn)線圖)用Plot菜單下的各類圖形工具(可以繪出帶有誤差棒的圖形)2.數(shù)據(jù)點(diǎn)誤差、數(shù)據(jù)列標(biāo)準(zhǔn)偏差的圖形表示方法可以在一張圖上畫出誤差棒及幾種圖形，用Graph/AddErrorBars或AddPlottoLayer。3.在一張圖上表示兩套Y軸的方法選定2個(gè)Y數(shù)據(jù)列，用Plot/SpecialLine/Symbol/Double-Y第五十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.直方圖、扇形圖(生產(chǎn)的統(tǒng)計(jì)、市場(chǎng)分析)用Plot/Staticalgraphs，例如材料研究中的粒度分布的數(shù)據(jù)處理問題。5.函數(shù)圖形的繪制(1)在空白圖形頁(yè)中顯示函數(shù)圖形(2)在已有的圖形中加入函數(shù)圖形6.增加新的圖形頁(yè)面和刪除圖形頁(yè)面7.在同一個(gè)頁(yè)面中增加新的圖層8.增加新的頁(yè)面File/New/Graph9.刪除圖形Edit/Clear10.圖形修飾與編輯技巧(1)頁(yè)面大小與背景顏色(2)圖形大小及在頁(yè)面中位置(3)線條和符號(hào)編輯(4)坐標(biāo)軸及坐標(biāo)軸標(biāo)題11.其他技巧簡(jiǎn)介(1)添加多條曲線(2)擬合(3)三維繪圖第五十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五12.圖形的輸出與保存圖形格式有很多種：bmp、tif、pdf、pcx、wmf等。用File/ExportPage二、Origin在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用(一)反應(yīng)結(jié)合氧化鋁動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究(二)固相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究(三)Origin在數(shù)據(jù)模型建立和擬合中的應(yīng)用(四)譜線處理三、材料研究科學(xué)中的數(shù)據(jù)處理第二節(jié)材料科學(xué)研究中的計(jì)算機(jī)圖像分析與處理利用常用的圖像分析與處理軟件進(jìn)行材料光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡圖像的分析與處理一、圖像與圖像處理所謂的圖像處理是指用一系列的特定的操作來“改造”圖像，使其更清晰、更美麗動(dòng)人，或從中提取某些特定的信息。如P236圖8－23的電鏡照片分離前后的效果。第五十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、數(shù)字圖像的獲得途經(jīng)通過一套硬件系統(tǒng)將各類圖像(如照片