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第1章 概述1

1.1 材料科学进展与计算机应用技术1

1.2 计算机在材料科学中的应用2

1.2.1 计算机模拟技术用于材料行为工艺研究2

1.2.2 计算机技术用于材料数据库和知识库2

1.2.3 计算机技术用于材料设计3

1.2.4 计算机技术用于材料加工控制4

1.2.5 计算机技术用于材料性能表征与检测5

1.2.6 计算机技术用于材料数据和图像处理5

1.2.7 计算机网络技术用于材料科学研究5

参考文献6

第2章 材料科学研究中的数学模型及分析方法7

2.1 数学模型基础及建模方法7

2.1.1 数学模型基础7

2.1.2 建立数学模型的一般步骤和原则8

2.1.3 常用的数学建模方法9

2.2 有限差分法14

2.2.1 有限差分法简介14

2.2.2 有限差分法数学基础15

2.2.3 有限差分法解题基本步骤17

2.2.4 有限差分法解题示例18

2.2.5 商用有限差分软件简介19

2.3 有限元法20

2.3.1 有限元法简介20

2.3.2 有限元法常用术语21

2.3.3 有限元法数学基础22

2.3.4 有限元分析基本步骤23

2.3.5 有限元法解题示例23

2.3.6 有限元软件简介26

2.3.7 ANSYS有限元软件解题示例30

2.4 蒙特卡洛方法64

2.4.1 蒙特卡洛方法简介64

2.4.2 蒙特卡洛模拟基本步骤64

2.4.3 随机数的生成66

2.4.4 蒙特卡洛法解题示例67

2.5 分子动力学方法68

2.5.1 分子动力学方法简介68

2.5.2 分子动力学方法模拟基本步骤69

2.5.3 势函数70

2.5.4 边界条件71

2.5.5 分子动力学积分算法72

2.5.6 分子动力学中的系综73

2.5.7 温度与压力的调节73

2.5.8 宏观物理量的计算74

2.5.9 分子动力学方法解题示例75

2.5.10 分子动力学相关软件77

2.6 人工神经网络方法78

2.6.1 人工神经网络简介78

2.6.2 人工神经网络基本结构79

2.6.3 人工神经网络基本要素79

2.6.4 误差反向传播神经网络（BP网络）82

2.6.5 人工神经网络方法解题基本步骤84

2.6.6 人工神经网络方法解题示例86

习题及思考题88

参考文献91

第3章 材料科学研究中主要物理场的数值模拟92

3.1 温度场的计算92

3.1.1 导热方程与边界条件92

3.1.2 平面温度场的有限元求解94

3.2 应力场计算95

3.2.1 弹性力学基础95

3.2.2 弹性问题分析98

3.3 电磁场计算101

3.3.1 电磁场计算方法概述101

3.3.2 合金材料制备中的电磁场计算103

3.4 浓度场计算106

3.4.1 扩散控制方程106

3.4.2 浓度场的数值解法107

习题及思考题109

参考文献110

第4章 材料数据库与专家系统111

4.1 数据库技术111

4.1.1 数据库技术的产生和发展111

4.1.2 数据库数据的主要特征112

4.1.3 数据库系统112

4.1.4 数据库管理系统113

4.2 材料科学与工程数据库113

4.2.1 材料数据库的发展113

4.2.2 材料数据库的应用115

4.3 专家系统116

4.3.1 专家系统发展历史117

4.3.2 专家系统的构成及工作原理117

4.3.3 专家系统中的知识获取与推理118

4.3.4 专家系统的特征和类型118

4.3.5 专家系统在材料科学与工程中应用119

阅读资料125

习题及思考题126

参考文献126

第5章 计算机辅助材料设计与模拟127

5.1 材料设计概述127

5.1.1 材料设计的定义、范围与层次127

5.1.2 多尺度材料设计128

5.2 材料设计基础130

5.2.1 电子结构计算130

5.2.2 材料热力学、动力学和相图计算135

5.2.3 基于概率断裂力学的可靠性评价140

5.3 材料设计软件及应用143

5.3.1 量子化学第一性原理计算软件143

5.3.2 材料热力学和相图计算软件154

5.3.3 基于有限元分析和概率断裂力学的可靠性评价软件164

5.4 计算机辅助材料设计与模拟举例165

5.4.1 陶瓷材料的设计——掺杂TiO2光催化剂的电子结构的第一性原理研究166

5.4.2 金属材料的设计——Ti2AlNb基合金的相结构设计169

5.4.3 多场耦合应用实例——液态金属连续铸造工艺的多物理场模拟170

习题及思考题174

参考文献175

第6章 材料加工过程的计算机控制176

6.1 计算机控制概述176

6.1.1 计算机控制的概念176

6.1.2 计算机控制系统的结构和组成177

6.1.3 计算机控制系统的分类180

6.1.4 计算机控制系统的主要特点和基本要求183

6.2 材料加工的计算机控制184

6.2.1 加热炉温度控制184

6.2.2 焊接过程的计算机控制186

习题及思考题190

参考文献191

第7章 材料检测中的计算机应用192

7.1 材料的物相及成分检测192

7.1.1 X射线衍射分析192

7.1.2 电子探针仪193

7.1.3 光谱分析195

7.2 材料的组织结构检测196

7.2.1 定量金相分析196

7.2.2 计算机仿真197

7.3 材料的力学性能检测199

7.3.1 万能材料试验机199

7.3.2 冲击试验机201

7.4 材料的物理性能测量203

7.4.1 磁性测量中的计算机数据处理203

7.4.2 超导材料特性曲线的计算机测量205

7.4.3 金属熔点附近热物性参数的计算机测量207

阅读资料209

习题及思考题210

参考文献210

第8章 数据与图形图像处理过程中的计算机应用211

8.1 数据与图像处理常用软件简介211

8.1.1 Excel软件简介211

8.1.2 Origin软件简介218

8.1.3 Photoshop软件简介224

8.1.4 MatLab图像处理工具箱简介227

8.2 应用实例详解230

8.2.1 数据处理实例230

8.2.2 图形处理实例235

8.2.3 图像处理实例240

习题及思考题241

参考文献242

第9章 Internet与材料科学243

9.1 Internet技术简介243

9.2 Internet在材料科学中的应用244

9.2.1 强大的搜索引擎244

9.2.2 与材料科学相关的专业网站245

9.2.3 文献检索246

习题及思考题252

第10章 实验设计与上机实践253

10.1 材料合成加工工艺单指标正交实验设计与实现253

10.1.1 实验目的253

10.1.2 问题描述与分析253

10.1.3 求解步骤256

10.1.4 习题及思考题258

10.2 用曲线拟合实现材料科学研究中的数学建模262

10.2.1 实验目的262

10.2.2 问题描述与分析263

10.2.3 求解步骤265

10.2.4 习题及思考题267

10.3 材料学科中物理场的数值模拟271

10.3.1 实验目的271

10.3.2 问题描述与分析271

10.3.3 求解步骤272

10.3.4 习题及思考题277

10.4 理想溶液二元相图计算280

10.4.1 实验目的280

10.4.2 问题描述与分析280

10.4.3 求解步骤281

10.4.4 习题及思考题286

参考文献287