計算機在材料科學中的運用分析

劉亦晴

摘 要：計算機是現代社會中各個領域創新發展的一項重要工具，特別是在對材料科學進行研究的過程中，計算機發揮著不可替代的作用。材料科學是研究材料的一門綜合性學科，如鋼鐵行業在經營發展期間，對高爐內的溫度進行測量、對爐內流體運動狀況進行監控等都離不開計算機的支持。目前各個產業為了能夠順應現代社會發展趨勢，都在逐步向精細化和完整化方向進行轉變，這為計算機在材料科學中的運用提供了相應契機，進而為今后推動我國整體經濟發展貢獻力量。

關鍵詞：計算機;材料科學;具體運用

0 引言

現階段，計算機在材料科學中充分應用，如材料液態成形、塑性成形、連接成形等多種不同類型的材料成形工藝都在運用計算機。在此期間，計算機充分發揮功能作用，使材料成形工藝發生變化，其中最為顯著的變化就是從初始階段的動向描述轉變為定量預測，能夠為相應的技術人員創新工藝提供重要幫助。最初傳統形式的經驗試錯法，現階段發生了顯著的變化，其將知識作為最重要的一項基礎條件，逐漸轉變為計算機發揮輔助作用進行試驗。通過此種方式在材料科學中運用計算機，能夠形成質量好、實用性強、成本低的研究模式。此外，正確應用計算機模擬技術，也是優化和創新材料成形工藝的重要舉措。本文從計算機在材料科學中的運用表現入手，展開闡述，針對計算機的具體應用進行全面探討。

1 計算機在材料科學中的應用

1.1 在新材料設計中的應用

從材料設計的對象和實際涉及到的空間尺寸角度進行分析，可以將材料設計具體分為幾種不同設計種類。在實際落實新材料設計工作過程中，會運用到多種新型的先進技術，如會運用人工智能、知識庫、數據庫等多種技術，其充分發揮作用，不僅能夠加強極具雜亂性試驗資料與化學理論、物理理論之間的關聯，同時也更加有效地將歸納和演繹兩種具有本質區別的內容融合到一起，這種方式逐漸轉變為研制新材料過程中的主要方式，以幫助做出正確決策。通過在新材料設計過程中正確運用計算機，能夠為提升材料設計效率提供技術支持。

1.2 在研究科學材料期間的應用

相關技術人員正確應用計算機，來準確開展真實系統模擬試驗，這種方式最終能夠得出具有重要研究意義的計算機模擬結果，甚至其還能夠為材料設計和研究人員順利開展各項工作提供重要依據。對于新材料設計中具體的計算機模擬對象而言，其會在研究材料科學的各個階段發揮重要作用，并逐步滲透到研究材料科學的各個環節。在研究材料科學的過程中，充分應用計算機模型，主要就是以實體體系為參考依據，以計算機為載體來開展模擬試驗。計算機模擬試驗之后，還要及時將真實體系中的信息數據與試驗模擬的結果進行比較，這樣不僅能夠檢驗出模擬結果是否具備精準性，同時也能檢測出計算機模型最終導出的解析理論簡化結果的實際狀態，詳細觀察分析其是否真正處于成功狀態。不僅如此，計算機模擬出的具體結果，也能夠對之前顯示模型或是實驗室中始終無法進行探索的模型進行全方位預測，并能夠提出相應的方式等。

1.3 在優化和自動控制材料以及工藝中的應用

現階段，在社會整體科學技術水平全面提升的背景下，材料加工技術也在逐步提升，具體表現為控制技術水平在快速提升。像微機和可編程控制器在對材料進行加工期間被充分應用，其就是控制技術水平快速提升的具體表現。應用計算機技術對材料進行加工，充分發揮其作用，能夠帶來較為顯著的效果，如全面降低技術人員在實際加工材料期間的加工難度，甚至從某種程度上分析來看，在此期間正確運用計算機技術，對于提升產品整體的生產效率也具有較大幫助。因此，在材料加工工藝期間正確應用計算機，能夠達到優化和控制材料或是創新工藝的目的。

例如：材料科學技術人員在材料加工期間，正確應用計算機對相應的數字模型進行精準模擬，計算機就會發揮自身作用。除此之外，在對材料進行制備期間，計算機同樣也會像前期控制一樣，能夠對材料制備全過程中各個階段進行嚴格管控，甚至在處理材料表面相關問題期間，計算機也能夠有效發揮作用，將爐溫控制在標準的范圍內。基于此，在優化和自動控制材料以及工藝中應用計算機，將計算機技術、自動控制技術以及微電子技術等多項先進性技術進行融合，對于有效提升科學材料加工設備運行有效性具有重要意義。在此期間對計算機進行運用，是優化和自動化控制材料的本質要求，有助于轉變控制技術的具體控制方式，不僅能夠全面提升控制水平，也能全面提升優化和自動控制效率。

1.4 在處理數據和圖像中的應用

無論是以哪種形式對科學材料進行研究，或是在實際開展相應研究實驗的過程中，都不可避免會產生大量的數據信息，為了能夠完整且真實有效地將這些具有研究和分析價值的信息數據保存起來，就要正確應用計算機，在計算機強大的儲存功能作用下，能夠精準高效地對這些信息數據以及相應圖像進行處理。材料自身性能與凝聚態結構之間具有緊密關聯，在對其進行研究的過程中，主要是以應用光學顯微鏡和電子顯微鏡技術為主，兩種技術發揮作用，可以通過二維圖像的方式精準展現出凝聚態結構。計算機技術的數據和圖像處理功能充分發揮，有助于相應技術人員進一步研究材料結構，更加直接地獲取所需的各項結構數據信息。比方說能夠直接獲取具體的聚集方式和實際分布狀況等信息，并且要及時地將各項信息與材料自身實際性能的各項數據進行結合，這樣就能夠對材料實際結構相關內容進行指導。

2 計算機技術自身實際應用表現

2.1 液態金屬成形的計算機模擬

液態金屬充型期間的計算機數值模擬的應用表現較突出。液態金屬充型期間為了能夠全面提升數值模擬研究有效性，主要就是以SO-LA-VOF法作為核心依據，全方位地引入體積函數來對自由表面進行精準處理，同時還要在計算傳熱和修正流量等各個方面開展優化與完善工作。其中有一部分研究工作，必須是在完成對層流模型等相應工作的實驗驗證之后，才能夠通過運用K-ε雙方程模型的方式對液態金屬充型期間的具體紊流現象進行準確模擬。而今又逐步研究出了多種不同形式的算法，如并行算法、三維有限單位法、三維有限差分法等。但是現階段仍然無法決定哪個是最具價值的算法，因為每一種算法都具有相應的優勢和劣勢，在進行實際應用的過程中，應明確相應的側重點，這樣就能夠選擇相應算法并充分發揮其作用。

2.2 熱處理的計算機模擬技術

計算機模擬技術的發展與應用，與其他多種先進學科的支持具有直接關聯，如其發展與高效應用離不開熱彈性力學和計算傳熱學的支持，在提升熱處理計算機模擬研究效率的同時，對于促進熱處理計算機模擬技術的發展也具有重要幫助作用。基于此，現階段其已經在感應加熱、真空加熱、爐溫控制等各個方面取得了較為優異的結果。熱處理的計算機模擬技術被充分應用，是現代社會使用熱處理的計算機模擬技術的必然要求。

例如：在鋼淬火方面應用計算機進行模擬時，為了能夠提升計算機運用效率，并保證淬火模擬真實性，可以通過運用數值計算法來研究鋼淬火硬化等相關問題，在此期間最為重要的就是要結合實際模擬需求，準確落實構建熱彈性模型相關工作。在此期間，要以嚴格管控溫度、殘余應力等相應內容為前提，保證以計算機為核心依據構建的模型的有效性，這樣就能夠對鋼的淬火硬化的各個過程進行優化。如在定值氣體滲碳過程中，如果已經完成了離子滲碳數學模型構建工作，那么在后續計算機模擬技術的作用下，就能夠直接將數字模型完整地編入到衛星機內存中。完成數據輸入工作程序之后就能夠進行精準計算，通過這樣的方式，就能夠進一步獲取最終的碳濃度分布曲線，并且其也會與實際狀況具有一致性，這對于計算機模擬技術充分應用具有重要作用。

在感應加熱和真空加熱控制方面，計算機模擬技術也能準確地模擬出整體系統中的工藝參數。計算機要嚴格按照工藝的具體參數，對整體工藝過程進行控制，在全面消除人為控制誤差的基礎上，能夠有效提升產品質量。同時熱處理計算機模擬技術，還可以應用在計算碳素共析鋼A→P轉變的動力學曲線方面，其通過將差熱分析法與模擬技術全面融合的方式來達到最終目的，對標準參數嚴格管控工藝，通過這樣的方式，有助于消除人為因素造成的各項誤差，同時其對于提升整體產品質量也具有重要幫助。除此之外，計算機在液態金屬成形和熱處理過程中被充分應用，還能在塑性成形、連接成形等各個方面被充分應用。

3 結束語

材料科學是多個不同學科進行交叉之后，不斷創新與發展形成的一門綜合性學科。在對材料科學進行研究的過程中，仍然有一些技術人員還在以事實和已經積累的經驗為核心依據，忽視了計算機在材料科學各個方面的運用。但是現代社會對材料科學研究工作提出了更高的要求，為了能夠進一步提升計算機的應用效率，提升材料科學的研究效率，要認識到計算機的重要性，并在材料科學正確應用，以進一步促進材料科學的全面發展。

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