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第1章 材料设计概述 1

1.1 材料设计发展的历史与作用 1

1.1.1 材料设计的发展阶段 1

1.1.2 材料设计的发展概况 3

1.2 材料设计范围与内容 7

1.3 材料设计的层次与特点 8

1.3.1 材料设计的层次 8

1.3.2 多尺度关联模型 10

1.3.3 材料设计的特点 12

1.4 材料设计的类型和方法 12

1.5 材料设计的任务 13

本章小结 14

习题与思考题 14

参考文献 15

第2章 材料设计的主要技术与途径 16

2.1 材料设计的知识库与数据库 16

2.2 材料设计的专家系统 17

2.3 基于第一性原理的计算设计 18

2.3.1 基本理论的近似假设 19

2.3.2 密度泛函理论 19

2.3.3 准粒子方程（GW近似） 20

2.3.4 Car-Parrinello方法 21

2.4 材料设计的计算机模拟 22

2.4.1 分子动力学模拟 22

2.4.2 蒙特卡罗模拟 23

2.4.3 人工神经网络在材料设计中的应用 24

2.5 合金特征晶体理论 25

2.5.1 合金相统计热力学理论 27

2.5.2 合金晶体物理与化学计算框架 27

2.6 基于相图计算的材料设计 27

2.6.1 相图热力学计算模型 27

2.6.2 Md法计算相界成分 31

2.6.3 CALPHAD计算模式 31

2.7 基于数据采掘的材料设计 34

2.8 数学方法在材料设计中的应用 34

2.8.1 有限元法 34

2.8.2 遗传算法 36

2.8.3 分形理论 38

2.8.4 其他方法 40

本章小结 41

习题与思考题 41

参考文献 42

第3章 基于第一性原理的材料设计 44

3.1 原子相互作用势的计算应用 44

3.1.1 第一性原理原子间相互作用对势的严格表达 44

3.1.2 陈氏晶格反演定理 45

3.1.3 基于ab initio计算方法的理论模型 46

3.2 高温Ti合金的优化设计 48

3.2.1 特性原子序列信息 48

3.2.2 fcc-TiAl合金信息 48

3.2.3 降低fcc-TiAl化合物脆性的信息综合 49

3.3 奥氏体钢ab initio计算设计 50

3.3.1 理论基础 51

3.3.2 奥氏体不锈钢模量的计算设计 53

3.4 超硬材料计算设计 54

3.4.1 超硬材料体积弹性模量 54

3.4.2 β-Si3N4的电子结构 55

3.4.3 β-C3 N4的计算设计与开发 56

3.4.4 c-BCN设计与开发 56

3.4.5 低压缩系数金属氮化物 57

本章小结 57

习题与思考题 58

参考文献 58

第4章 相图热力学计算设计 60

4.1 相图优化和计算过程 60

4.2 CALPHAD相图计算 61

4.2.1 实际合金集团数据库 61

4.2.2 无铅微焊材料的设计计算 62

4.2.3 超级奥氏体钢相平衡的计算预测 64

4.2.4 Ti合金超塑性的Md法计算设计 66

4.3 ab initio和CALPHAD有机结合的计算方法 67

4.3.1 ab initio应用于CALPHAD能量计算 68

4.3.2 ab initio应用于CALPHAD相图计算 69

4.3.3 ab initio对动力学计算的贡献 70

4.4 奥氏体钢组织稳定性的数值计算设计 72

4.4.1 高温组织稳定性 72

4.4.2 中温组织稳定性 74

4.4.3 低温组织稳定性 75

4.5 铜合金热力学计算模拟 76

4.5.1 热力学平衡关系 76

4.5.2 计算模型及程序 77

4.5.3 材料热物理性能的计算模型 77

4.5.4 模拟计算结果与验证 79

4.5.5 三元铜合金相图计算 80

4.6 铝合金热力学平衡相计算 83

本章小结 85

习题与思考题 85

参考文献 86

第5章 材料数值模拟设计 88

5.1 概述 88

5.1.1 材料研究模型化 88

5.1.2 数值模型化与模拟 89

5.2 材料表面激光作用的数值模拟 90

5.2.1 模拟的基本数学模型 90

5.2.2 温度场演化的模拟 92

5.2.3 细晶化和非晶形成的预测 94

5.3 工程应用层次的材料数值计算 95

5.3.1 系统设计思路 95

5.3.2 奥氏体钢强度的数值计算 96

5.3.3 奥氏体钢冲击韧度的数值计算 98

5.3.4 高性能钢的设计与应用 99

5.4 形状记忆合金的计算模拟 101

5.4.1 边界设计及有限元方法 101

5.4.2 诱发相变热力学 103

5.4.3 应力诱发相变 104

5.4.4 铁基形状记忆合金TRIP钢的马氏体相变模拟 104

5.5 奥氏体不锈钢应力腐蚀寿命预测与计算设计 108

5.5.1 奥氏体不锈钢应力腐蚀寿命曲线与设计参数 108

5.5.2 奥氏体不锈钢应力腐蚀疲劳寿命预测 110

5.5.3 奥氏体不锈钢应力腐蚀敏感性判据 110

5.5.4 奥氏体不锈钢应力腐蚀疲劳机理 111

本章小结 113

习题与思考题 113

参考文献 113

第6章 基于数据采掘的材料设计与预测 115

6.1 基于数据采掘的半经验设计方法 115

6.1.1 复杂数据信息采掘原理 115

6.1.2 复杂数据信息采掘各种算法的长处和局限性 116

6.1.3 数据采掘法经验材料设计的应用 119

6.2 合金设计 124

6.2.1 合金设计技术概述 124

6.2.2 高合金超高强度钢设计 126

6.3 基于组合方法的多组分新材料合成设计 129

6.3.1 电子材料的发现 129

6.3.2 新型磁性材料 130

6.3.3 多相催化剂开发 130

本章小结 131

习题与思考题 132

参考文献 132

第7章 结构复合材料的设计 133

7.1 复合材料的设计与方法 133

7.1.1 复合材料的可设计性 133

7.1.2 复合材料设计的研究方法 134

7.1.3 复合材料基体与增强体选择 136

7.2 复合材料力学性能计算模型 138

7.2.1 连续纤维增强复合材料性能 138

7.2.2 短纤维增强金属基复合材料 141

7.2.3 颗粒增强复合材料的弹性和强度 143

7.3 复合材料性能相关性的计算模型 145

7.3.1 性能相关性的计算模型 145

7.3.2 有限元模拟与分析 146

7.4 纳米复合材料有效弹性的计算 148

7.5 纤维增强复合材料的力学失效与计算模拟 150

7.5.1 短纤维增强复合材料疲劳性能模型与预测 150

7.5.2 纤维增强复合材料压缩失效模拟 152

本章小结 154

习题与思考题 154

参考文献 154

第8章 功能复合材料设计 156

8.1 功能复合材料设计概述 156

8.1.1 功能复合材料种类 156

8.1.2 功能复合材料的设计特点 157

8.1.3 金属基功能复合材料的设计方法 159

8.1.4 仿生复合材料的设计 162

8.2 热功能复合材料的设计 164

8.2.1 复合材料比热容加和性原理 164

8.2.2 复合材料热膨胀系数的计算 164

8.3 热防护梯度功能材料设计 166

8.3.1 基本设计思想 166

8.3.2 基本设计方法 168

8.4 其他功能复合材料的设计 169

8.4.1 阻尼复合材料 169

8.4.2 零膨胀复合材料的设计模拟 170

本章小结 172

习题与思考题 172

参考文献 173

第9章 材料成型加工过程模拟设计 174

9.1 概述 174

9.2 铸造工艺过程的数值模拟 175

9.2.1 凝固过程数值模拟基本方法 176

9.2.2 温度场数值模拟及收缩缺陷预测 177

9.2.3 应力场的模拟 177

9.2.4 铸件微观组织的模拟 178

9.3 材料连接成型过程模拟 181

9.3.1 焊接热循环主要参数的数学模型 181

9.3.2 焊接热裂纹的模拟技术 183

9.3.3 焊接应力与残余应力的模拟预测 185

9.4 金属塑性成型模拟 187

9.4.1 金属塑性成型模拟的基本步骤 187

9.4.2 钢锭锻造形变过程模拟 189

9.4.3 AZ31合金深拉伸过程模拟 190

9.4.4 控轧钢形变诱发相变的计算机模拟 193

9.4.5 薄板冲压工艺一体化模拟技术 195

本章小结 197

习题与思考题 197

参考文献 197

第10章 材料变形与断裂的介观设计 198

10.1 概述 198

10.2 颗粒增强铝基复合材料的力学行为模拟 199

10.2.1 高体积分数颗粒增强复合材料力学行为模拟 200

10.2.2 颗粒尺寸效应的数值模拟 200

10.2.3 颗粒增强铝基复合材料的界面力参数 201

10.2.4 复合结构界面裂纹形成的模拟 203

10.3 裂端扩展过程的分子动力学模拟 205

10.3.1 计算模型 206

10.3.2 裂纹尖端位错发射 207

10.3.3 三重嵌套模型和关联参照模型 209

10.4 周期载荷下裂纹扩展的分子动力学模拟 210

10.4.1 研究方法 211

10.4.2 模拟结果与分析 212

本章小结 213

习题与思考题 214

参考文献 214

第11章 材料表面技术模拟与设计 216

11.1 概述 216

11.2 多晶薄膜生长过程的模拟 217

11.2.1 FACET模型及模拟分析 217

11.2.2 薄膜岛状结构形成的动力学Monte Carlo模拟 220

11.2.3 基于Wolf-Villain模型的薄膜生长模拟 222

11.3 表面涂覆层制备的数值模拟 224

11.3.1 PVD法和CVD法的数值模拟 224

11.3.2 等离子热喷涂数值模拟方法 226

11.3.3 等离子喷涂温度场数值模拟 228

11.4 表面涂覆残余应力的模拟计算 231

11.4.1 热喷涂残余应力分析及模拟 231

11.4.2 高温梯度复合涂层残余应力数值分析 234

本章小结 237

习题与思考题 237

参考文献 237

第12章 材料模拟设计研究进展 239

12.1 极端条件下的ab initio模拟 239

12.1.1 ab initio分子动力学模拟模型 239

12.1.2 高压下材料结构的鉴别 240

12.1.3 高压化学反应 240

12.1.4 熔化温度的计算 241

12.2 高分子材料设计的新方法 241

12.3 纳米晶金属的形变 243

12.3.1 金属纳米晶形变机理模拟 243

12.3.2 纳米压痕（刻痕、压坑）的原子模拟 244

12.4 材料模拟设计应用进展实例 247

12.4.1 新材料开发 247

12.4.2 新理论研究 250

12.4.3 新材料制备技术 253

本章小结 259

习题与思考题 259

参考文献 259