材料科學(xué)中計算機技術(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，屬于一門綜合性比較強的學(xué)科，在發(fā)展的過程中融入計算機技術(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)營及煉鋼過程中溫度和流體運動的監(jiān)測等，這些精細(xì)化的活動都需要計算機技術(shù)作為必要的支持。如今，人們對材料提出了更高的需求，這也為計算機在材料科學(xué)中的發(fā)展奠定了現(xiàn)實基礎(chǔ)。因此，文章結(jié)合具體的應(yīng)用方式及其注意事項進(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：計算機；材料科學(xué)；具體運用

現(xiàn)階段，計算機在材料科學(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程中，借助計算機技術(shù)的先進(jìn)性可以對材料成型工藝進(jìn)行升級和優(yōu)化，運用定量預(yù)測的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式中的動向描述。有關(guān)技術(shù)人員能夠借助這種方式來提升自身的工作效率，同時防止人工誤差對材料、工藝和環(huán)節(jié)造成的影響[1]。如今，經(jīng)驗試錯法已經(jīng)不適于當(dāng)今時代的發(fā)展趨勢，在計算機的協(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。將計算機技術(shù)運用到材料科學(xué)中，有助于形成質(zhì)量好、實用性強的材料。

1計算機技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1.1在新材料設(shè)計中的應(yīng)用

在分析材料設(shè)計的具體方式和尺寸測量等知識的過程中，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)運用到新材料設(shè)計工作中，這樣能夠拓展研究人員的思維，讓他們在實際工作中加入更多的創(chuàng)新理念。利用傳統(tǒng)模式進(jìn)行工作的過程中需要運用復(fù)雜的化學(xué)理論和物理理論，計算機技術(shù)能夠?qū)⑦@些雜亂的試驗資料進(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)行材料研究的過程中，對于技術(shù)工作人員來說，其日常工作過程中一項非常重要的內(nèi)容就是進(jìn)行系統(tǒng)模擬試驗，為了達(dá)到實驗的理想效果和目的，需要技術(shù)人員掌握計算機的操作知識和專業(yè)技能，在進(jìn)行材料研究的工作中發(fā)揮自身的價值。通過計算機模擬出來的結(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)各項工作提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。計算機模擬需要結(jié)合新材料設(shè)計的具體工作來展開，如果能夠?qū)⒂嬎銠C的模型作為實體體系的主要參照，那么后續(xù)模擬試驗的進(jìn)行將會更具有真實性[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)簡化，還能夠?qū)ぷ鞯臓顟B(tài)進(jìn)行實時的觀察和分析。在以往的傳統(tǒng)模式下，實驗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算機模擬出結(jié)果，這種全方位預(yù)測的模式是其他技術(shù)無法比擬的。

1.3在優(yōu)化和自動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)帶動很多技術(shù)在各個領(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實現(xiàn)材料加工的自動化發(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)也可以借助計算機技術(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)變得更加簡便，技術(shù)人員只需要通過簡單的操作流程就可以完成材料加工[4]。由此觀之，計算機能夠有效地提升材料加工的整體效率，同時還能夠達(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)人員在展開材料加工工作的過程中，可以在計算機模型中輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)輸入之后就可以通過計算機的自動化設(shè)置和轉(zhuǎn)換得出最終的結(jié)果。這種模擬方式比較精確，同時還能夠?qū)罄m(xù)材料制備的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的監(jiān)管。尤其是在傳統(tǒng)模式下比較常見的材料表面問題處理工作中，計算機技術(shù)能夠發(fā)揮非常重要的作用，在對制造材料過程中的內(nèi)容進(jìn)行控制時，確保各項數(shù)據(jù)在要求的范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，如果能夠進(jìn)一步將計算機應(yīng)用到自動控制材料的工作中，能夠有效發(fā)揮出計算機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)展的實效性，還能夠從質(zhì)量和自動化控制的標(biāo)準(zhǔn)上對其進(jìn)行全面的提升。

1.4在處理數(shù)據(jù)和圖像中的應(yīng)用

在對材料科學(xué)進(jìn)行研究的過程中，無論是借助什么方式都必須經(jīng)過試驗的步驟，在不斷實驗的過程中會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)和信息，對此，可以借助計算機強大的存儲功能來保存數(shù)據(jù)。除了錄入信息和數(shù)據(jù)，計算機還可以承擔(dān)處理圖像的任務(wù)，關(guān)于材料科學(xué)的研究很多時候都需要應(yīng)用到相應(yīng)的圖像，尤其是在研究的過程中，可能會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，計算機將會進(jìn)一步對后續(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，計算機能夠直接產(chǎn)生聚合方式的具體分布情況和有關(guān)的信息，同時結(jié)合自身整合數(shù)據(jù)的方式展現(xiàn)出信息材料的實際性能，這些結(jié)果能夠為后續(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計算機技術(shù)自身實際應(yīng)用表現(xiàn)

2.1計算機模擬技術(shù)在液態(tài)金屬成形中的應(yīng)用

計算機數(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。借助計算機技術(shù)能夠在處理自由表面工作的過程中充分利用體積函數(shù)和流量的有關(guān)數(shù)據(jù)，同時還能夠計算出與修正流量和傳熱有關(guān)的結(jié)果。經(jīng)過對層流模型和有關(guān)工作的實驗驗證之后，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候，需要結(jié)合具體情況來進(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，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計算機模擬技術(shù)在熱處理工藝中的應(yīng)用

計算傳熱學(xué)和熱彈性力學(xué)對當(dāng)今計算機模擬技術(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)不僅能夠提高計算機模擬研究的速率，還能夠借助熱處理計算機模擬技術(shù)為后續(xù)工作的開展奠定基礎(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，還有效推動了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。其中，計算機模擬技術(shù)在熱處理工藝中應(yīng)用的頻率比較高，運用計算機模擬技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)熱處理工藝的優(yōu)化。例如，利用計算機技術(shù)進(jìn)行鋼淬火方面的模擬試驗時，為了能夠提高計算機的運行速率，同時保障各項數(shù)據(jù)和模型具備準(zhǔn)確性，需要保證實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)該控制周圍的環(huán)境，使其保持合理的溫度和殘余應(yīng)力，從而實現(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)模型和計算機模擬技術(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進(jìn)行對比，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)加熱的過程中，整個系統(tǒng)中的工藝參數(shù)能夠及時錄入計算機模擬的模型中，通過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)的真實性。技術(shù)人員在接觸到計算機技術(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參數(shù)的控制來掌握各項工藝，還能夠避免上述問題的發(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算機技術(shù)。因此，計算機技術(shù)在材料學(xué)的應(yīng)用所產(chǎn)生的效果是顯而易見的，在未來的發(fā)展過程中具有較高的應(yīng)用價值。

3結(jié)束語

計算機技術(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有認(rèn)識到計算機技術(shù)的重要性，仍然采用傳統(tǒng)的模式來進(jìn)行工作，將自身的經(jīng)驗作為主要的參照標(biāo)準(zhǔn)。在未來的發(fā)展過程中，應(yīng)該摒棄這種思想，提升計算機的利用率，借助計算機技術(shù)來解決傳統(tǒng)模式中存在的一些問題和弊端，通過正確的使用方法來提高材料科學(xué)研究工作的整體效率和質(zhì)量，相信在計算機技術(shù)的支持下，材料科學(xué)將會朝著更加科學(xué)和健康的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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作者：劉建行 單位：湖北第二師范學(xué)院