材料设计基础--教学大纲+课程简介

1、材料设计基础Fundamentals of Materials Design课程编号： 07370200学分： 2学时： 30 （其中：讲课学时： 26 实验学时： 4 上机学时： 0 ）先修课程： 高等数学、物理化学、材料科学基础 适用专业： 金属材料工程、材料成型及控制教 材：材料设计教程，戴起勋、赵玉涛主编，化学工业出版社， 2007 年9 月第 1 版开课学院 ：材料科学与工程学院一、 课程的性质与任务 材料设计基础是集材料学、物理学、数学、化学、计算机科学等于一体 而发展起来的跨学科分支，是材料科学与工程领域里的 计算机实验 。本课程主 要介绍计算材料学中广泛涉及的基本原理和重要方法

2、， 其中包括：材料模型化和 模拟中所采用的基本概念和原理；纳观至微观尺度的模拟方法，如蒙特卡罗法、 分子动力学方法；微观至介观层次的模拟方法，如 Potts 蒙特卡罗法、相场动力 学方法、元胞自动机法； 介观至宏观层次的模拟方法， 如有限元法、有限差分法； 计算材料热力学选讲，如特征函数的表达、 相平衡计算方法； 以及各种模拟仿真 方法在材料科学中的应用实例。 通过该课程的讲述和学习， 使学生掌握计算材料 学领域的基本概念和原理， 了解从纳观、 微观、介观到宏观尺度上材料相关性质 的理论预测方法， 了解利用计算机进行材料成分与工艺辅助设计的基本知识， 了 解计算材料学与模拟仿真技术的发展动态。

3、材料设计基础是用数学、物理学的原理考察、 解决和处理工程实际问题， 强调工程观点、定量运算、实验技能的训练，提高学生分析问题、解决问题的能 力。其主要任务是让学生掌握以下知识和能力：1.掌握及了解各种材料模拟设计的物理基础、基本原理和方法等；2.掌握及了解各种各种常规材料模拟设计的应用软件、计算方法等。二、课程的内容及要求（一）材料设计概述1.教学内容（1）材料设计发展的历史与作用（2）材料设计范围与内容（3）材料设计的层次与特点（4）材料设计的类型和方法（5）材料设计的任务2.基本要求（1）了解材料设计的内容以及层次与特点（2）了解材料设计的任务3.重难点（1）材料设计的层次与多尺度关联模型

4、（2）材料设计的主要技术与途径1.教学内容（1）材料设计的知识库与数据库以及专家系统（2）基于第一性原理的计算设计（3）合金特征晶体理论（4）基于相图计算的材料设计（5）数学方法在材料设计中的应用2.基本要求（1）掌握第一原理基本理论的近似假设（2）理解密度泛函理论和分子动力学模拟（3）了解人工神经网络在材料设计中的应用3.重难点（1）重点是第一原理的计算设计（2）难点是合金相图热力学模型（三）基于第一性原理的材料设计1.教学内容（1）原子相互作用势的计算应用（2）高温钛合金优化设计（3）奥氏体钢第一原理设计（4）超硬材料计算设计2.基本要求（1）了解基于第一原理的计算理论模型（2）掌握第一原

5、理原子间相互作用对势的严格表达（3）了解常用合金的第一原理设计方法、模型3.重难点（1）重点是第一性原理计算方法的理论模型（2）难点是常用合金设计中的理论基础与建模（四）相图热力学计算设计1.教学内容（1）相图优化和计算过程（2）CALPHAD 相图计算（3）奥氏体钢组织稳定性的数值计算设计（4）铜合金、铝合金的相图计算举例2.基本要求（1）掌握相图计算的计算方法和理论（2）了解材料热物理性能的计算模型（3）了解相图计算中的动力学计算3.重难点（1）重点是第一性原理与 CALPHAD 相结合的相图计算（2）难点是第一性原理对动力学的计算（五）材料数值模拟设计1.教学内容（1）材料研究模型化（2

6、）材料表面激光作用的数值模拟（3）工程应用层次的材料数值计算（4）形状记忆合金的计算模拟（5）奥氏体不锈钢应力腐蚀计算设计2.基本要求（1）了解数值模型化与模拟（2）材料表面激光作用数值模拟的基本数学模型（3）了解工程材料系统设计思路（4）理解边界设计和有限元方法3.重难点（1）重点是形状记忆合金中的马氏体相变模拟（2）难点是表面激光处理中细晶化和非晶形成的预测（六）基于数据采掘的材料设计与预测1.教学内容（1）基于数据采掘的半经验设计方法（2）超高强度钢的设计（3）基于组合方法的多组分新材料合成2.基本要求（1）了解数据采掘法经验材料的设计（2）掌握复杂数据信息采掘各种算法3.重难点（1）重

7、点是复杂数据信息采掘原理（七）复合材料的设计1.教学内容（1）复合材料的设计与方法（2）复合材料性能相关性计算模型（4）结构、功能复合材料的设计2.基本要求（1）了解复合材料设计的相关方法 （2）理解复合材料基体与增强体的选择方法（3）了解梯度功能复合材料的设计3.重难点（1）重点是复合材料力学性能计算模型 （2）难点是复合材料性能相关性计算模型（八）材料成型加工过程模拟设计1.教学内容（1）材料成型加工过程模拟设计概述 （2）铸造工艺过程的数值模拟（3）材料连接成型过程模拟（4）金属塑性成形模拟2.基本要求（1）了解金属凝固过程数值模拟基本方法 （2）了解焊接热循环主要参数的数学模型（3）掌

8、握金属塑性成形模拟的基本步骤3.重难点（1）重点是铸件温度场及缺陷的数值模拟 （2）难点是焊接热裂纹的模拟技术（九）材料变形与断裂的介关设计1.教学内容（1）铝基复合材料的力学行为模拟（2） 裂端扩展过程的分子动力学模拟（3） 周期载荷下裂纹扩展的分子动力学模拟2.基本要求（1） 掌握高体积分数颗粒增强复合材料的力学行为模拟（2） 掌握复合结构界面裂纹形成的模拟（3） 了解裂端扩展过程的分子动力学计算模型3.重难点（1） 重点是复合结构界面裂纹形成的模拟（2） 难点是裂端扩展过程的三重嵌套模型和关联参照模型（十）材料模拟设计研究进展1.教学内容（1） 极端条件下的第一原理模拟（2） 高分子材料

9、设计的新方法（3） 纳米晶金属的形变（4） 材料模拟设计应用进展实例2.基本要求（1） 了解高压下第一原理分子动力学模拟（2） 了解新材料的研发制备技术3.重难点（1） 重点是高压下第一原理分子动力学模拟模型（2） 难点是金属纳米晶形变机理模拟三、课程学时分配尸片 早节讲课实验上机一、计算材料学绪论、基 本概念和原理2二、材料科学中的模型化与模拟4三、基于第一性原理的材料设计22四、相图热力学计算设计4五、材料数值模拟设计2六、基于数据米掘的材料 设计与预测4七、复合材料的设计2八、材料成型加工过程模 拟22九、材料变形与断裂的介关设计2十、材料模拟设计研究进 展2四、大纲说明（内容可包括实验

10、内容与基本要求、习题要求及其它一些必要的说明）；1.本课程的实验要求见材料设计基础实验教学大纲2.本课程的课程设计见材料设计基础课程设计教学大纲。3.本课程采用多媒体教学。4.每次课后布置一些思考题，供学生选做，以便深入理解教学内容。五、参考书目及学习资料（书名，主编，出版社，出版时间及版次）材料设计教程；戴起勋、赵玉涛主编；化学工业出版社，2007年第1版材料科学研究方法；戴起勋等编；国防工业出版社；2004年第1版复合材料；吴人杰主编；天津大学出版社；2000年第1版制定人：侯秀丽审定人：批准人：2013年4月课程简介课程编码：课程名称： 材料设计基础英文名称： fundamentals of materials design学 分： 2学 时： 30（其中：讲课学时： 26 实验学时： 4 上机学时： 0 ）课程内容：材料设计基础主要介绍计算材料学中广泛涉及的基本原理和重要方法，其中包括：材料模型化和模拟中所采用的基本概念和原理；纳 观至微观尺度的模拟方法； 介观至宏观层次的模拟方法， 如有限元法、 有限差分法；计算材料热力学选讲，如特征函数的表达、相平衡计算 方法；以及各种模拟仿真方法在材料科学中的应用实例。 通过该课程 的讲述和学习， 使学生掌握计算材料学领域的基本概念和原理