本書系統(tǒng)地介紹了計算機在材料科學中應用的基本理論、基本方法和相關應用。全書內(nèi)容共分為9章，主要介紹了計算機在材料科學中的應用概況；數(shù)學模型及數(shù)值求解的方法；應力場、溫度場與濃度場這幾個典型物理場中的數(shù)值模擬方法；材料數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡的應用；材料科學中數(shù)據(jù)、圖像的處理與分析方法；正交試驗方法在材料科學中的應用；分子動力學在材料科學與工程中的應用；Rietveld/XRD精修在材料科學與工程中的應用等。本書在講解理論的基礎上，主要側(cè)重于應用計算機的實際操作，翔實講解了上機實驗中所需的各種軟件，使學生初步了解和掌握計算機知識在材料科學領域中的應用思路和方法，注重培養(yǎng)學生利用計算機解決實際問題的能力，培養(yǎng)和引導學生的創(chuàng)新意識。
本書可作為材料科學與工程專業(yè)本科生及研究生的專業(yè)基礎課程教材，也可供從事材料科學與工程研究的工程技術人員參考。
1.結(jié)合材料科學領域中計算機應用的特點，做到專業(yè)與計算機應用之間的有效對接、融合，重在應用。
2.充分考慮到材料科學與工程專業(yè)畢業(yè)設計時開展實驗室試驗的要求，不僅在計算機應用的理論上進行充分闡述，而且在材料科學與工程的試驗設計上，也對本專業(yè)學生進行講授。
3.內(nèi)容較廣泛，既要保證本書的完整性和系統(tǒng)性，又要避免與有關課程內(nèi)容的重復。
4.在所有其他教材中均未涉及的分子動力學領域，本教材將給予介紹，并闡述這一工具在材料科學與工程中的特殊應用。
5.十分注重應用，在教材中設置了大量的應用舉例和涉及軟件的上機實踐，做到在專業(yè)學習和研究過程中能夠充分推廣應用計算機的目的。
計算機技術的發(fā)展正改變著世界，對整個人類文明和社會進步產(chǎn)生了極其深遠的影響。材料科學技術的發(fā)展也與計算機的發(fā)展分不開。計算機技術和網(wǎng)絡技術等對材料科學與工程中的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的革新，已給材料產(chǎn)業(yè)帶來了革命性的變化。而且，隨著應用范圍的擴大，所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益也日臻顯著。為了進一步推動和促進計算機技術在材料科學領域中的應用和實踐，使攻讀材料專業(yè)的學生對計算機應用有更多的了解，作者結(jié)合多年來的教學和科研實踐經(jīng)驗，編寫了本書。本書的特色將體現(xiàn)在以下幾方面。
(1) 結(jié)合材料科學領域中計算機應用的特點，做到專業(yè)與計算機應用之間的有效對接、融合，重在應用；既考慮了材料專業(yè)各個研究方向的共性，又兼顧材料科學研究領域的廣泛性，以及各學科的相互滲透給計算機在材料科學與工程應用中帶來的復雜性和特殊性。
(2) 充分考慮到材料科學與工程專業(yè)畢業(yè)設計時開展實驗室試驗的要求，不僅在計算機應用的理論上進行充分闡述，而且有針對性地講述了材料科學與工程的試驗設計。
(3) 本書內(nèi)容較廣泛，既要保證全書內(nèi)容的完整性和系統(tǒng)性，又要避免與有關課程內(nèi)容的重復。同時，涉及的計算機方面的理論知識或相關專業(yè)的專業(yè)理論，盡量做到適合材料科學與工程等相關專業(yè)學生使用。
(4) 在其他教材中較少涉及的分子動力學領域，本書將給予介紹，并闡述其在材料科學與工程中的特殊應用。
(5) 本書十分注重應用，在書中設置了大量的應用舉例和涉及軟件的上機實踐，以達到在專業(yè)學習和研究過程中能夠充分推廣應用計算機的目的。
考慮到學生對于計算機使用的熟練程度和對于材料科學理論知識的理解程度參差不齊，本書在編寫的過程中，堅持“教材的服務主體是學生，教材的生命力在實用”的原則，重視理論和實踐的有機結(jié)合。本書在編寫過程中既請教了有多年教學經(jīng)驗的資深教授，又將部分內(nèi)容應用到在校學生的教學中，征求反饋意見，及時調(diào)整編寫內(nèi)容，不斷修訂完善，書中的內(nèi)容都可在實際的教學過程中進行合理的增刪，以便于學生的理解和掌握，同時又確保了編寫內(nèi)容的完整性和科學性。
本書由青島理工大學張鵬、侯東帥和濟南大學趙丕琪主編，其中，張鵬主要負責教材章節(jié)的設計、全書統(tǒng)稿，并編寫第1章～第3章、第5章～第7章；趙丕琪負責編寫第4章中的第1和第2節(jié)、第9章；侯東帥負責編寫第4章中的第3節(jié)和第8章。劉兆麟承擔了部分圖片和公式的整理及編寫工作。
本書在編寫過程中參考了有關文獻，由于條件所限，并未能將所有參考文獻逐一列出，在此對相關文獻的作者表示由衷的感謝。
隨著計算機技術的日新月異，材料科學中各種各樣的新思路、新方法、新工藝隨著計算機運算能力的飛速提高而不斷地涌現(xiàn)出來，加之編者理論水平和實踐經(jīng)驗有限，書中難免有不足之處，敬請各位讀者批評指正。
編者
2018年2月
第1章 緒論001
1.1計算機的發(fā)展和應用001
1.1.1計算機的發(fā)展歷程001
1.1.2微型計算機的發(fā)展004
1.2材料科學與工程的概念和內(nèi)容005
1.2.1涵蓋的基本內(nèi)容005
1.2.2材料的分類005
1.2.3材料的性能005
1.2.4基本要素005
1.3計算機在材料科學與工程中的應用簡介006
1.3.1計算機技術用于數(shù)值計算與模擬007
1.3.2計算機技術用于材料數(shù)據(jù)和圖像處理007
1.3.3計算機技術用于材料數(shù)據(jù)庫和知識庫007
1.3.4計算機技術用于材料設計008
1.3.5計算機技術用于材料性能表征與檢測008
1.3.6計算機網(wǎng)絡技術用于材料科學研究009
第2章 數(shù)學模型及數(shù)值求解方法010
2.1數(shù)學模型的介紹010
2.1.1數(shù)學模型的含義010
2.1.2數(shù)學模型的分類011
2.1.3建立數(shù)學模型的一般步驟和原則012
2.2常用的數(shù)學建模方法013
2.2.1機理分析法013
2.2.2模擬方法014
2.2.3類比分析法016
2.2.4數(shù)據(jù)分析法017
2.3數(shù)學模型的求解方法019
2.3.1有限差分法019
2.3.2有限元法025
思考題與上機操作題037
第3章 材料科學研究中主要物理場的數(shù)值分析的模擬038
3.1應力場模型與計算038
3.1.1彈性力學基礎038
3.1.2應力場的有限元計算041
3.1.3工字懸臂梁撓曲變形的模型建立與計算046
3.1.4開孔矩形板受荷載作用變形的模型建立與計算050
3.2溫度場模型與計算055
3.2.1熱傳遞的基本方式與導熱微分方程055
3.2.2初始條件與邊界條件058
3.2.3二維穩(wěn)態(tài)導熱問題的有限差分求解059
3.2.4非穩(wěn)態(tài)導熱問題的有限差分求解061
3.2.5有限元法求解064
3.2.6發(fā)電廠煙囪溫度分布模型的建立與計算069
3.2.7短圓柱體熱傳導過程的模型建立與計算073
3.3濃度場模型與計算080
3.3.1擴散控制模型081
3.3.2有限元求解082
3.3.3半限長鋼板碳擴散情況的模型建立與計算085
3.3.4Hydrus介紹與實例091
思考題與上機操作題096
第4章 材料數(shù)據(jù)庫和人工神經(jīng)網(wǎng)絡099
4.1材料數(shù)據(jù)庫099
4.1.1數(shù)據(jù)庫的組成與結(jié)構099
4.1.2材料科學與工程數(shù)據(jù)庫100
4.2專家系統(tǒng)101
4.2.1專家系統(tǒng)基本知識101
4.2.2材料科學與工程中專家系統(tǒng)舉例103
4.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術及其應用108
4.3.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡108
4.3.2神經(jīng)網(wǎng)絡的學習方法與規(guī)則110
4.3.3神經(jīng)網(wǎng)絡在材料科學與工程中的應用111
思考題與上機操作題114
第5章 材料科學與工程中的數(shù)據(jù)處理與分析115
5.1數(shù)據(jù)處理的基本理論115
5.1.1曲線擬合和最小二乘法115
5.1.2線性插值法120
5.2Origin軟件在數(shù)據(jù)處理中的應用123
5.2.1Origin軟件介紹123
5.2.2Origin軟件的基本功能和使用方法124
5.2.3Origin在數(shù)據(jù)處理中的應用實例129
思考題與上機操作題140
第6章 材料科學與工程中的圖像處理142
6.1圖像與圖像處理142
6.2數(shù)字圖像的獲得途徑143
6.3Photoshop軟件進行圖像處理與分析舉例143
6.3.1Photoshop六大基本功能144
6.3.2Photoshop圖例144
6.4MatLab軟件進行圖像處理與分析舉例151
6.4.1MatLab的主要功能151
6.4.2基本操作151
6.4.3MatLab語言基礎153
6.4.4MatLab程序設計初步154
6.5Image J軟件進行圖像處理與分析舉例156
6.5.1Image J的界面156
6.5.2圖片編輯與分析159
6.5.3測量和計數(shù)160
思考題與上機操作題163
第7章 正交試驗方法在材料科學與工程中的應用165
7.1正交試驗設計的基本原理165
7.1.1正交表介紹166
7.1.2正交性原理167
7.2正交試驗設計的基本方法168
7.3正交試驗設計在材料科學與工程中的應用172
7.4正交試驗的方差分析方法174
思考題與上機操作題178
第8章 分子動力學在材料科學與工程中的應用179
8.1分子動力學介紹179
8.1.1力場180
8.1.2分子動力學基本原理183
8.1.3分子動力學計算流程185
8.1.4分子動力學的一些基本算法186
8.1.5系綜的分類187
8.1.6周期性邊界條件188
8.1.7輸出軌跡分析188
8.2常用的分子動力學軟件191
8.2.1Lammps191
8.2.2Materials Studio192
8.2.3Materials Studio在材料科學中常用的模塊介紹192
8.3分子動力學在材料科學與工程中的應用舉例193
8.3.1Materials Studio算例193
8.3.2Lammps算例197
思考題與上機操作題203
第9章 Rietveld/XRD精修在材料科學與工程中的應用206
9.1Rietveld/XRD方法介紹與基本理論206
9.1.1XRD衍射峰的理論計算206
9.1.2Rietveld定量精修210
9.1.3Rietveld結(jié)構精修213
9.1.4Rietveld全譜擬合正確性數(shù)值判斷214
9.2Rietveld精修軟件——GSAS-EXPGUI介紹215
9.2.1軟件菜單欄界面介紹215
9.2.2軟件選項欄界面介紹219
9.3Rietveld定量精修在材料科學與工程中的應用223
9.3.1基于標樣SiO2-ZnO二元體系的精修策略和準確性驗證223
9.3.2水泥基材料的Rietveld精修定量策略226
參考文獻232
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