材料科學(xué)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：材料科學(xué)涉及的內(nèi)容比較多，屬于一門(mén)綜合性比較強(qiáng)的學(xué)科，在發(fā)展的過(guò)程中融入計(jì)算機(jī)技術(shù)在很大程度上提升了材料科學(xué)的發(fā)展水平。例如，鋼鐵行業(yè)的發(fā)展和經(jīng)營(yíng)及煉鋼過(guò)程中溫度和流體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)等，這些精細(xì)化的活動(dòng)都需要計(jì)算機(jī)技術(shù)作為必要的支持。如今，人們對(duì)材料提出了更高的需求，這也為計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)中的發(fā)展奠定了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。因此，文章結(jié)合具體的應(yīng)用方式及其注意事項(xiàng)進(jìn)行更為細(xì)致的論述，旨在為促進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展提供支持。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；材料科學(xué)；具體運(yùn)用

現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)在材料科學(xué)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其在材料液態(tài)成型、連接成型和塑性成型的過(guò)程中，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性可以對(duì)材料成型工藝進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化，運(yùn)用定量預(yù)測(cè)的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式中的動(dòng)向描述。有關(guān)技術(shù)人員能夠借助這種方式來(lái)提升自身的工作效率，同時(shí)防止人工誤差對(duì)材料、工藝和環(huán)節(jié)造成的影響[1]。如今，經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法已經(jīng)不適于當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，在計(jì)算機(jī)的協(xié)助之下，工作人員能夠以更加便捷可靠的操作形式進(jìn)行試驗(yàn)。將計(jì)算機(jī)技術(shù)運(yùn)用到材料科學(xué)中，有助于形成質(zhì)量好、實(shí)用性強(qiáng)的材料。

1計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1.1在新材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在分析材料設(shè)計(jì)的具體方式和尺寸測(cè)量等知識(shí)的過(guò)程中，應(yīng)該將人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)等當(dāng)下比較火熱的新技術(shù)運(yùn)用到新材料設(shè)計(jì)工作中，這樣能夠拓展研究人員的思維，讓他們?cè)趯?shí)際工作中加入更多的創(chuàng)新理念。利用傳統(tǒng)模式進(jìn)行工作的過(guò)程中需要運(yùn)用復(fù)雜的化學(xué)理論和物理理論，計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠?qū)⑦@些雜亂的試驗(yàn)資料進(jìn)行整合，并且衍生出全新的材料研發(fā)形式，從而有效提升工作效率，也提高了材料設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量[2]。

1.2在材料研究中的應(yīng)用

在進(jìn)行材料研究的過(guò)程中，對(duì)于技術(shù)工作人員來(lái)說(shuō)，其日常工作過(guò)程中一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容就是進(jìn)行系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)的理想效果和目的，需要技術(shù)人員掌握計(jì)算機(jī)的操作知識(shí)和專業(yè)技能，在進(jìn)行材料研究的工作中發(fā)揮自身的價(jià)值。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的結(jié)果能夠使技術(shù)人員獲得有效的數(shù)據(jù)，并且為后續(xù)各項(xiàng)工作提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)模擬需要結(jié)合新材料設(shè)計(jì)的具體工作來(lái)展開(kāi)，如果能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)的模型作為實(shí)體體系的主要參照，那么后續(xù)模擬試驗(yàn)的進(jìn)行將會(huì)更具有真實(shí)性[3]。借助這種方法得出的結(jié)果不僅準(zhǔn)確有效，還能夠?qū)⒁恍┓彪s的環(huán)節(jié)簡(jiǎn)化，還能夠?qū)ぷ鞯臓顟B(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀察和分析。在以往的傳統(tǒng)模式下，實(shí)驗(yàn)室具有一定的局限性，其中有很多難以探索的模型，但是這些模型均可以借助計(jì)算機(jī)模擬出結(jié)果，這種全方位預(yù)測(cè)的模式是其他技術(shù)無(wú)法比擬的。

1.3在優(yōu)化和自動(dòng)控制材料以及工藝中的應(yīng)用

目前，科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展已經(jīng)帶動(dòng)很多技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了全面的應(yīng)用，在材料加工領(lǐng)域也是如此。在技術(shù)的支撐下，工作人員可以利用可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)材料加工的自動(dòng)化發(fā)展，這種技術(shù)能夠有效提升產(chǎn)品的整體質(zhì)量和水準(zhǔn)。在材料加工環(huán)節(jié)也可以借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，為相關(guān)技術(shù)人員提供更多的便利，一些利用傳統(tǒng)模式進(jìn)行加工的復(fù)雜環(huán)節(jié)均可以借助這種技術(shù)變得更加簡(jiǎn)便，技術(shù)人員只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的操作流程就可以完成材料加工[4]。由此觀之，計(jì)算機(jī)能夠有效地提升材料加工的整體效率，同時(shí)還能夠達(dá)到控制材料或創(chuàng)新工藝的效果。例如，材料科學(xué)技術(shù)人員在展開(kāi)材料加工工作的過(guò)程中，可以在計(jì)算機(jī)模型中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)輸入之后就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化設(shè)置和轉(zhuǎn)換得出最終的結(jié)果。這種模擬方式比較精確，同時(shí)還能夠?qū)罄m(xù)材料制備的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的監(jiān)管。尤其是在傳統(tǒng)模式下比較常見(jiàn)的材料表面問(wèn)題處理工作中，計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠發(fā)揮非常重要的作用，在對(duì)制造材料過(guò)程中的內(nèi)容進(jìn)行控制時(shí)，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)在要求的范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，如果能夠進(jìn)一步將計(jì)算機(jī)應(yīng)用到自動(dòng)控制材料的工作中，能夠有效發(fā)揮出計(jì)算機(jī)在材料制作和工藝優(yōu)化等方面的優(yōu)良特性。此外，除了能夠有效提升材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的實(shí)效性，還能夠從質(zhì)量和自動(dòng)化控制的標(biāo)準(zhǔn)上對(duì)其進(jìn)行全面的提升。

1.4在處理數(shù)據(jù)和圖像中的應(yīng)用

在對(duì)材料科學(xué)進(jìn)行研究的過(guò)程中，無(wú)論是借助什么方式都必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的步驟，在不斷實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)和信息，對(duì)此，可以借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的存儲(chǔ)功能來(lái)保存數(shù)據(jù)。除了錄入信息和數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)還可以承擔(dān)處理圖像的任務(wù)，關(guān)于材料科學(xué)的研究很多時(shí)候都需要應(yīng)用到相應(yīng)的圖像，尤其是在研究的過(guò)程中，可能會(huì)涉及材料特性和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，因此需要借助電子顯微鏡技術(shù)和光學(xué)顯微鏡等形式來(lái)展現(xiàn)凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的二維圖像[5]。在呈現(xiàn)出圖像之后，計(jì)算機(jī)將會(huì)進(jìn)一步對(duì)后續(xù)圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行處置，在此基礎(chǔ)上獲得的結(jié)果將更加直觀可靠。例如，計(jì)算機(jī)能夠直接產(chǎn)生聚合方式的具體分布情況和有關(guān)的信息，同時(shí)結(jié)合自身整合數(shù)據(jù)的方式展現(xiàn)出信息材料的實(shí)際性能，這些結(jié)果能夠?yàn)楹罄m(xù)材料的應(yīng)用和與結(jié)構(gòu)方面有關(guān)的研究提供參考。

2計(jì)算機(jī)技術(shù)自身實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)

2.1計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在液態(tài)金屬成形中的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在液態(tài)金屬充型期發(fā)揮著非常重要的作用，只有在保障各項(xiàng)數(shù)值精確可靠的基礎(chǔ)上才能夠達(dá)到液態(tài)金屬充型期的理想效果。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠在處理自由表面工作的過(guò)程中充分利用體積函數(shù)和流量的有關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)還能夠計(jì)算出與修正流量和傳熱有關(guān)的結(jié)果。經(jīng)過(guò)對(duì)層流模型和有關(guān)工作的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后，能夠準(zhǔn)確地模擬出液態(tài)金屬充型期的雙方模型結(jié)構(gòu)[6]。如今又衍生出了很多的算法和模式，例如并行算法、三維有限差分法和三維有限單位法等。在使用這些方法的時(shí)候，需要結(jié)合具體情況來(lái)進(jìn)行選擇，每一種方法都存在著雙面性，因此應(yīng)該盡量發(fā)揮算法中的優(yōu)良特性，選擇主要的側(cè)重點(diǎn)，這樣不僅能夠發(fā)揮出理想的效果，還能夠保障整體工作的有效性和準(zhǔn)確性。

2.2計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在熱處理工藝中的應(yīng)用

計(jì)算傳熱學(xué)和熱彈性力學(xué)對(duì)當(dāng)今計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起到了不可忽視的作用，借助這種技術(shù)不僅能夠提高計(jì)算機(jī)模擬研究的速率，還能夠借助熱處理計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為后續(xù)工作的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，如今很多領(lǐng)域都應(yīng)用了真空加熱、控制爐溫和感應(yīng)加熱等技術(shù)，不僅取得了舉世矚目的成果，還有效推動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。其中，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在熱處理工藝中應(yīng)用的頻率比較高，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)熱處理工藝的優(yōu)化。例如，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行鋼淬火方面的模擬試驗(yàn)時(shí)，為了能夠提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速率，同時(shí)保障各項(xiàng)數(shù)據(jù)和模型具備準(zhǔn)確性，需要保證實(shí)際模擬需求能夠和熱彈性模型的構(gòu)建工作相結(jié)合，除此之外，應(yīng)該控制周?chē)沫h(huán)境，使其保持合理的溫度和殘余應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)鋼淬火流程的優(yōu)化和改良。在此基礎(chǔ)上，此技術(shù)在氣體滲碳的過(guò)程中也發(fā)揮了不小的作用。借助離子滲碳數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，可以得到與碳濃度有關(guān)的曲線，將得出的結(jié)果與具體的情況和特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，并且找出二者之間相同的部分。在進(jìn)行真空加熱和感應(yīng)加熱的過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)中的工藝參數(shù)能夠及時(shí)錄入計(jì)算機(jī)模擬的模型中，通過(guò)這種方式能夠解決傳統(tǒng)模式中存在的人工誤差因素，這樣不僅能夠提升產(chǎn)品的整體水準(zhǔn)，還能充分保障數(shù)據(jù)的真實(shí)性。技術(shù)人員在接觸到計(jì)算機(jī)技術(shù)之前容易造成各種誤差，還面臨著繁雜的操作流程。利用這種方式不僅能夠通過(guò)參數(shù)的控制來(lái)掌握各項(xiàng)工藝，還能夠避免上述問(wèn)題的發(fā)生。除了上文列舉的幾種應(yīng)用形式，在塑性成型、連接成型和金屬熱處理工作中也能夠有效地借助計(jì)算機(jī)技術(shù)。因此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在材料學(xué)的應(yīng)用所產(chǎn)生的效果是顯而易見(jiàn)的，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使材料科學(xué)在各方面水平都得到了有效的提升，但是仍然有部分工作人員沒(méi)有認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)技術(shù)的重要性，仍然采用傳統(tǒng)的模式來(lái)進(jìn)行工作，將自身的經(jīng)驗(yàn)作為主要的參照標(biāo)準(zhǔn)。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)該摒棄這種思想，提升計(jì)算機(jī)的利用率，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)解決傳統(tǒng)模式中存在的一些問(wèn)題和弊端，通過(guò)正確的使用方法來(lái)提高材料科學(xué)研究工作的整體效率和質(zhì)量，相信在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，材料科學(xué)將會(huì)朝著更加科學(xué)和健康的方向發(fā)展。

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作者：劉建行 單位：湖北第二師范學(xué)院