微机在金属材料工程中的应用.docx
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微机在金属材料工程中的应用
微机在金属材料工程中的应用
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摘要
计算机模拟技术在材料成形加工中的应用，使材料成形工艺从定性描述走向定量预测，为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案，从传统的经验试错法，推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段，对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。
计算机模拟是未来材料成形制备工艺的必由之路，其发展趋势是多尺度模拟及集成。
关键词模拟技术；计算机技术；材料科学；应用
ApplicationofMicrocomputerinMetalMaterialEngineering
Abstract
Thecomputersimulationtechnologyinthematerialformingprocessingapplication,causesthematerialformingcrafttomovetowardsthequotafromthequalitativedescriptiontoforecastthat,providestherationaleandtheoptimalplanforthematerialprocessingandthenewcraftdevelopment,fromthetraditionalexperiencetrialanderrormethod,advancestotaketheknowledgeasthefoundationcomputationexperimentassistancestage,regardingtherealizationbatchsmall,thequalityhigh,thecostlow,thedateofdeliveryshort,theproductionflexibility,theenvironmentfriendlyfuturemanufacturepatternwillhavethevitalsignificance.Thecomputersimulationwillbethefuturematerialformingpreparationcraftwaythatmustbetaken,itstrendofdevelopmentwillbethemulti-criterionsimulationandtheintegration.
KeywordsSimulationtechnology;Computertechnology;Materialsscience;Using
目录
第1章绪论1
第2章材料科学与工程（MSE）2
2.1MSE研究内容2
2.2MSE的特点2
第3章计算机的基本概念4
3.1计算机的发展历史4
第1代：
电子管数字机（1946—1958年）4
第2代：
晶体管数字机（1958—1964年）4
第3代：
集成电路数字机（1964—1970年）4
第4代：
大规模集成电路机（1970年至今）4
3.2微型计算机的发展历史5
一、第一代（1971~1973）：
4位或低档8位微处理器和微型机5
二、第二代（1974~1978）：
中档的8位微处理器和微型机5
三、第三代（1978~1981）：
16位微处理器和微型机6
四、第四代（1985年以后）：
32位高档微型机6
3.3微型计算机系统的组成6
一、计算机硬件系统6
二、计算机软件系统7
3.4编程语言7
第4章微机在材料科学中的应用概述9
4.1材料数据库及数据处理9
1.热力学、动力学计算9
2.晶体学计算9
3.浓度、梯度场计算9
4.试验数据的分析处理9
4.2计算机在材料的组成和结构研究中的应用10
4.3微机模拟的应用10
4.4材料工艺过程的优化及自动控制10
4.5微机在材料检测中的应用11
1.材料力学性能参数的微机采集、图示及计算11
2.热工参数与过程的微机控制11
3.其它物理、化学参数的测控11
4.工程自动线控制12
总结13
参考文献14
第1章绪论
计算机作为一种现代工具，在当今世界的各个领域日益发挥着巨大作用.但由于材料科学研究领域的广泛性和与多学科的相互渗透性，给计算机在材料科学中的应用带来了复杂性和特殊性。
本文针对主要的几个方面进行一些分析和探讨，并着重讨论新材料、新合金的设计。
金属材料工程是以实验的科学，实验是制备新材料和测定其结构和性能的直接手段。
而由于计算机技术、计算理论的迅速发展，许多更加复杂、大型的计算成为可能，使得在材料研究领域。
采用计算方法来研究材料的结构和性能，并指导实验研究成为一种新的研究方向。
计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。
第2章材料科学与工程（MSE）
2.1MSE研究内容
材料科学与工程（英文名：
MaterialsScienceandEngineering，缩写MSE）。
在国务院学位委员会学科评议组制定和颁布的《授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录》中，材料科学与工程属于工学学科门类之中的其中一个一级学科，下设3个二级学科，分别是：
材料物理与化学、材料学、材料加工工程。
材料科学与工程专业是研究材料成分、结构、加工工艺与其性能和应用的学科。
在现代科学技术中，材料科学是国民经济发展的三大支柱之一。
主要专业方向有金属材料、无机非金属材料、高分子材料、耐磨材料、表面强化、材料加工工程等等。
国内本学科代表高校有：
清华大学、北京科技大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学的金属材料学科；北京化工大学、浙江大学的高分子材料；西南交通大学、中南大学、华南理工大学的材料加工学科等。
材料科学与工程是一个涉及材料学、工程学和化学等方面的较宽口径专业。
该专业以材料学、化学、物理学为基础，主要研究的是材料成分、结构、加工工艺与其性能和应用。
事实上，人类文明发展史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史，材料的不断创新和发展，也极大地推动了社会经济的发展。
材料科学与工程专业培养具备包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料等材料领域的科学与工程方面较宽的基础知识，能在各种材料的制备、加工成型、材料结构与性能等领域从事科学研究与教学、技术开发、工艺和设备设计、技术改造及经营管理等方面工作，适应社会主义市场经济发展的高层次、高素质全面发展的科学研究与工程技术人才。
材料科学与工程专业学生主要学习材料科学与工程的基础理论，学习与掌握材料的制备、组成、组织结构与性能之间关系的基本规律。
受到金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料以及各种先进材料的制备、性能分析与检测技能的基本训练。
掌握材料设计和制备工艺设计、提高材料的性能和产品的质量、开发分析与检测技能的基本训练。
掌握材料设计和制备工艺设计、提高材料的性能和产品的质量、开发研究新材料和新工艺方面的基本能力。
随着人类进入新世纪和科学的发展，无论是工业领域、建筑领域、医用领域还是航空领域，材料学都面临着技术突破和重大产业发展机遇。
同时以高分子材料、纳米材料、光电子材料、生物医用材料及新能源材料等为代表的新材料技术创新也显得异常活跃。
很多日用化工类、机械加工类、石油化工、钢铁制造类企业都需要材料及相关工程方面的人才。
2.2MSE的特点
总体来说，大致有如下三个：
一是多学科交叉的新兴科学；二是与微机有着不可分割的联系；三是有很强的应用目的和明确的应用背景。
材料科学与工程专业以材料学、化学、物理学为基础，系统学习材料科学与工程专业的基础理论和实验技能，并将其应用于材料的合成、制备、结构、性能、应用等方面研究的学科。
第3章计算机的基本概念
3.1计算机的发展历史
计算工具的演化经历了由简单到复杂、从低级到高级的不同阶段，例如从“结绳记事”中的绳结到算筹、算盘计算尺、机械计算机等。
它们在不同的历史时期发挥了各自的历史作用，同时也启发了现代电子计算机的研制思想。
1889年，美国科学家赫尔曼·何乐礼研制出以电力为基础的电动制表机，用以储存计算资料。
1930年，美国科学家范内瓦·布什造出世界上首台模拟电子计算机。
1946年2月14日，由美国军方定制的世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”（ENIACElectronicNumericalAndCalculator）在美国宾夕法尼亚大学问世了。
ENIAC（中文名：
埃尼阿克）是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道需要而研制成的，这台计算器使用了17840支电子管，大小为80英尺×8英尺，重达28t（吨），功耗为170kW，其运算速度为每秒5000次的加法运算，造价约为487000美元。
ENIAC的问世具有划时代的意义，表明电子计算机时代的到来。
在以后60多年里，计算机技术以惊人的速度发展，没有任何一门技术的性能价格比能在30年内增长6个数量级。
第1代：
电子管数字机（1946—1958年）
硬件方面，逻辑元件采用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯；外存储器采用的是磁带。
软件方面采用的是机器语言、汇编语言。
应用领域以军事和科学计算为主。
特点是体积大、功耗高、可靠性差。
速度慢（一般为每秒数千次至数万次）、价格昂贵，但为以后的计算机发展奠定了基础。
第2代：
晶体管数字机（1958—1964年）
硬件方的操作系统、高级语言及其编译程序。
应用领域以科学计算和事务处理为主，并开始进入工业控制领域。
特点是体积缩小、能耗降低、可靠性提高、运算速度提高（一般为每秒数10万次，可高达300万次）、性能比第1代计算机有很大的提高。
第3代：
集成电路数字机（1964—1970年）
硬件方面，逻辑元件采用中、小规模集成电路（MSI、SSI），主存储器仍采用磁芯。
软件方面出现了分时操作系统以及结构化、规模化程序设计方法。
特点是速度更快（一般为每秒数百万次至数千万次），而且可靠性有了显著提高，价格进一步下降，产品走向了通用化、系列化和标准化等。
应用领域开始进入文字处理和图形图像处理领域。
第4代：
大规模集成电路机（1970年至今）
硬件方面，逻辑元件采用大规模和超大规模集成电路（LSI和VLSI）。
软件方面出现了数据库管理系统、网络管理系统和面向对象语言等。
特点是1971年世界上第一台微处理器在美国硅谷诞生，开创了微型计算机的新时代。
应用领域从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。
由于集成技术的发展，半导体芯片的集成度更高，每块芯片可容纳数万乃至数百万个晶体管，并且可以把运算器和控制器都集中在一个芯片上、从而出现了微处理器，并且可以用微处理器和大规模、超大规模集成电路组装成微型计算机，就是我们常说的微电脑或PC机。
微型计算机体积小，价格便宜，使用方便，但它的功能和运算速度已经达到甚至超过了过去的大型计算机。
另一方面，利用大规模、超大规模集成电路制造的各种逻辑芯片，已经制成了体积并不很大，但运算速度可达一亿甚至几十亿次的巨型计算机。
我国继1983年研制成功每秒运算一亿次的银河Ⅰ这型巨型机以后，又于1993年研制成功每秒运算十亿次的银河Ⅱ型通用并行巨型计算机。
这一时期还产生了新一代的程序设计语言以及数据库管理系统和网络软件等。
3.2微型计算机的发展历史
微处理器（Microprocessor），简称µP或MP，是由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器的中央处理机部件，即CPU（CertalProcessingUnit）。
微处理器本身并不等于微型计算机，它仅仅是微型计算机中央处理器，有时为了区别大、中、小型中央处理器（CPU）与微处理器，把前者称为CPU，后者称为MPU（MicroprocessingUnit）。
微型计算机（Microcomputer），简称µC或MC，是指以微处理器为核心，配上由大规模集成电路制作的存储器、输入/输出接口电路及系统总线所组成的计算机（简称微型机，又称微型电脑）。
有的微型计算机把CPU、存储器和输入/输出接口电路都集成在单片芯片上，称之为单片微型计算机，也叫单片机。
微型计算机系统（MicrocomputerSystem），简称µCS或MCS，是指以微型计算机为中心，以相应的外围设备、电源、辅助电路（统称硬件）以及控制微型计算机工作的系统软件所构成的计算机系统。
20世纪70年代，微处理器和微型计算机的生产和发展，一方面是由于军事工业、空间技术、电子技术和工业自动化技术的迅速发展，日益要求生产体积小、可靠性高和功耗低的计算机，这种社会的直接需要是促进微处理器和微型计算机产生和发展的强大动力；另一方面是由于大规模集成电路技术和计算机技术的飞速发展，1970年已经可以生产1KB的存储器和通用异步收发器（UART）等大规模集成电路产品并且计算机的设计日益完善，总线结构、模块结构、堆栈结构、微处理器结构、有效的中断系统及灵活的寻址方式等功能越来越强，这为研制微处理器和微型计算机打下了坚实的物质基础和技术基础。
因而，自从1971年微处理器和微型计算机问世以来，它就得到了异乎寻常的发展，大约每隔2~4年就更新换代一次。
至今，经历了三代演变，并进入第四代。
微型计算机的换代，通常是按其CPU字长和功能来划分的。
一、第一代（1971~1973）：
4位或低档8位微处理器和微型机
代表产品是美国Intel公司首先的4004微处理器以及由它组成的MCS-4微型计算机（集成度为1200晶体管/片）。
随后又制成8008微处理器及由它组成的MCS-8微型计算机。
第一代微型机就采用了PMOS工艺，基本指令时间约为10~20µS，字长4位或8位，指令系统比较简单，运算功能较差，速度较慢，系统结构仍然停留在台式计算机的水平上，软件主要采用机器语言或简单的汇编语言，其价格低廉。
二、第二代（1974~1978）：
中档的8位微处理器和微型机
其间又分为两个阶段，1973-1978年为典型的第二代，以美国Intel公司的8080和Motorola公司的MC6800为代表，集成度提高1~2倍，（Intel8080集成度为4900管/片），运算速度提高了一个数量级。
1976-1978年为高档的8位微型计算机和8位单片微型计算机阶段，称之为二代半。
高档8位微处理器，以美国ZILOG公司的Z80和Intel公司的8085为代表，集成度和速度都比典型的第二代提高了一倍以上（Intel8085集成度为9000管/片）。
8位单片微型机以Intel8048/8748（集成度为9000管/片），MC6801，MOSTEKF81/3870，Z80等为代表，它们主要用于控制和智能仪器。
总的来说，第二代微型机的特点是采用NMOS工艺，集成度提高1~4倍，运算速度提高10~15倍，基本指令执行时间约为1~2µS，指令系统比较完善，已具有典型的计算机系统结构以及中断、DMA等控制功能，寻址能力也有所增强，软件除采用汇编语言外，还配有BASIC，FORTRAN，PL/M等高级语言及其相应的解释程序和编译程序，并在后期开始配上操作系统。
三、第三代（1978~1981）：
16位微处理器和微型机
代表产品是Intel8086（集成度为29000管/片），Z8000（集成度为17500管/片）和MC68000（集成度为68000管/片）。
这些CPU的特点是采用HMOS工艺，基本指令时间约为0.05µS，从各个性能指标评价，都比第二代微型机提高了一个数量级，已经达到或超过中、低当小型机（如PDP11/45）的水平。
这类16位微型机通常都具有丰富的指令系统，采用多级中断系统、多重寻址方式、多种数据处理形式、段式寄存器结构、乘除运算硬件，电路功能大为增强，并都配备了强有力的系统软件。
四、第四代（1985年以后）：
32位高档微型机
随着科学技术的突飞猛进，计算机应用的日益广泛，现代社会对计算机的依赖已经越来越明显。
原来的8位、16位机已经不能满足广大用户的需要，因此，1985年以后，Intel公司在原来的基础上又发展了80386和80486。
其中，80386有工作主频达到25MHz，有32位数据线和24位地址线。
以80386为CPU的COMPAQ386、AST386、IBMPS2/80等机种相继诞生。
同时随着内存芯片的发展和硬盘技术的提高，出现了配置16MB内存和1000MB外存的微型机，微机已经成为超小型机，可执行多任务、多用户作业。
由微型机组成的网络、工作站相继出现，从而扩大了用户的应用范围。
1989年，Intel公司在80386的基础上，又研制出了80486。
它是在80386的芯片内部增加了一个8KB的高速缓冲内存和80386的协处理器芯片80387而形成了新一代CPU。
1993年3月22日，Intel公司发布了它的新一代处理器Pentium（奔腾）。
它采用0.8µm的BicMOS技术，集成了310万个晶体管，工作电压也从5V降到3V。
随着Pentium新型号的推出，CPU晶体管的数目增加到500万个以上，工作主频率从66MHz增加到333MHz。
1998年3月，Intel公司在CeBIT贸易博览会展出了一种速度高达702MHz的奔腾II芯片。
1999年，以奔腾II450、奔腾III450为微处理器、内存128MB、硬盘8.4GB的微机已在我国上市。
微型机由于结构简单、通用性强、价格便宜，已成为现代计算机领域中一个极为重要的，并正以难以想象的速度向前发展。
3.3微型计算机系统的组成
一、计算机硬件系统
计算机系统包括硬件系统和软件系统两大部分。
硬件是指组成计算机的各种物理设备，也就是我们在“认识计算机”中所介绍的那些看得见，摸得着的实际物理设备。
它包括计算机的主机和外部设备。
具体由五大功能部件组成，即：
运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
这五大部分相互配合，协同工作。
其简单工作原理为，首先由输入设备接受外界信息（程序和数据），控制器发出指令将数据送入（内）存储器，然后向内存储器发出取指令命令。
在取指令命令下，程序指令逐条送入控制器。
控制器对指令进行译码，并根据指令的操作要求，向存储器和运算器发出存数、取数命令和运算命令，经过运算器计算并把计算结果存在存储器内。
最后在控制器发出的取数和输出命令的作用下，通过输出设备输出计算结果。
二、计算机软件系统
计算机软件系统包括系统软件和应用软件两大类。
1.系统软件
系统软件是指控制和协调计算机及其外部设备，支持应用软件的开发和运行的软件。
其主要的功能是进行调度、监控和维护系统等等。
系统软件是用户和裸机的接口，主要包括：
（1）、操作系统软件，如DOS、WINDOWS98、WINDOWSNT、Linux、Netware等
（2）、各种语言的处理程序，如低级语言、高级语言、编译程序、解释程序
（3）、各种服务性程序，如机器的调试、故障检查和诊断程序、杀毒程序等
（4）、各种数据库管理系统，如SQLSever、Oracle、Informix、Foxpro等
2.应用软件
应用软件是用户为解决各种实际问题而编制的计算机应用程序及其有关资料。
应用软件主要有以下几种:
（1）、用于科学计算方面的数学计算软件包、统计软件包
（2）、文字处理软件包（如WPS、WORD、Office2000）
（3）、图像处理软件包（如Photoshop、动画处理软件3DSMAX）
（4）、各种财务管理软件、税务管理软件、工业控制软件、辅助教育等专用软件
3.4编程语言
编程语言（programminglanguage），是用来定义计算机程序的形式语言。
它是一种被标准化的交流技巧，用来向计算机发出指令。
一种计算机语言让程序员能够准确地定义计算机所需要使用的数据，并精确地定义在不同情况下所应当采取的行动。
最早的编程语言是在电脑发明之后产生的，当时是用来控制提花织布机及自动演奏钢琴的动作。
在电脑领域已发明了上千不同的编程语言，而且每年仍有新的编程语言诞生。
很多编程语言需要用指令方式说明计算的程序，而有些编程语言则属于声明式编程，说明需要的结果，而不说明如何计算。
编程语言的描述一般可以分为语法及语义。
语法是说明编程语言中，哪些符号或文字的组合方式是正确的，语义则是对于编程的解释。
有些语言是用规格文件定义，例如C语言的规格文件也是ISO标准中一部份，2011年后的版本为ISO/IEC9899:
2011，而其他语言（像Perl）有一份主要的编程语言实现文件，视为是参考实现。
编程语言俗称“计算机语言”，种类非常的多，总的来说可以分成机器语言、汇编语言、高级语言三大类。
电脑每做的一次动作，一个步骤，都是按照已经用计算机语言编好的程序来执行的，程序是计算机要执行的指令的集合，而程序全部都是用我们所掌握的语言来编写的。
所以人们要控制计算机一定要通过计算机语言向计算机发出命令。
目前通用的编程语言有两种形式：
汇编语言和高级语言。
第4章微机在材料科学中的应用概述
4.1材料数据库及数据处理
材料设计中离不开数据处理，往往所处理的数据比较复杂，涉及据精度要求较高。
仅凭人工计算处理难以达到精度要求，即使能达到，也要花相当多的精力和时间，且出错的几率很大。
计算机快速准确的计算功能正好满足了这些条件和要求。
这方面的应用事例不胜枚举，洛阳船舶材料研究所史嘉龙等运用计算机对球扁钢剖面要素进行r计算。
材料科学研究在实验中可以获得大量的实验数据，借助计算机的存储设备，可以大量保存数据，并对这些数据进行处理（计算、绘图，拟合分析）和快速查询等。
材料的性能与其凝聚态结构有密不可分的关系，其研究手段之一就是光学显微镜和电子显微镜技术，这些技术以二维图像方式表述材料的凝聚态结构。
利用计算机图像处理和分析功能就可以研究材料的结构，从图像中获取有用的结构信息，如晶体的大小，分布，聚集方式等，并将这些信息和材料性能建立相应的联系，用来指导结构的研究。
大学的王宝珠等用BASIC语言对所钡」相变数据进行分段抛物处理实现r曲线拟合，绘制了钢的过冷奥氏体等温转变TTI、图和连续转变cC。
在直接生成式控制气氛热处理中，由于炉内化学反应涉及多种平衡因素，因而计算复杂，姜岩等排出了较准确地计算炉气平衡成分的方程式。
微机在科学计算方面大致可分为以下几类：
1.热力学、动力学计算
常见的有相图计算、激活能计算；钢的C曲线及连续冷却曲线计算；摔透性计算；各种反应速度、工艺过程的仿真计算等。
这些计算涉及到数据拟合、经验公式的参数求解和选择，数值迭代逼近等方法。
2.晶体学计算
这方面涉及相变点阵分析、微观应力场分析、晶界点阵组态结构计算与图示等。
大部分用矩阵计算、空间点阵位置扫描与调节、原子束缚力及空隙容积的计算等。
3.浓度、梯度场计算
它涉及金属材料的各种加工中的温度场，直至组织分布及应力分布状态的计算，化学热处理中的粒子传递，扩散所涉及浓度梯度的仿真计算。
其中主要涉及有限差分法和有限元法。
4.试验数据的分析处理
试验数据的分析处理分为数据的各种拟合和拟合后的误差分析、数理统计。
前者常用有线性回归或最小二乘法，后者主要是数理统计中离敢数值分析法的应用。
涉及到数据处理的还有对脉冲或被动信号的试验数据的各种时域——频域变换分析、合金设计中的各种分析、比较与查找等。
前者在微机测控中常用到，盾者是数据库及专家系统常用方法之一。
以上按计算方法可分为有限差分法，有展元法，插值及样条函数法，高次方程的逼近解法，数据曲线拟合、
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