计算机在材料科学中的应用讲课讲稿.ppt

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1、计算机在材料科学中的应用要 求l听课l记录l上网查询资料l写出课程小结几大内容l数学模型l数值分析方法l物理场的数值模拟l加工过程控制l材料检测l数据与图像处理lInternet的应用材料分类l按照组成和结构分金属、无机非金属、有机高分子、复合材料l按照性能特征和作用分结构、功能材料l按照用途分建筑、能源、电子、耐火、医用、耐蚀研究内容l材料的组成l材料的结构l材料的性能l材料的制备工艺l材料的使用性能l材料的各方面之间的相互关系计算机研究材料l新材料的设计l计算机模拟l工艺过程的优化及自动控制l数据和图像处理l信息检索第三章 材料科学研究中的主要物理场的数值模拟第一节 温度场的计算 各种材料

2、的加工、成型过程中与加热、冷却等传热过程有着密切的联系，所以利用计算机解决传热问题是极为有力的。一一.导热方程导热方程固体在稳态条件下的Fourier 导热方程qx 是x 方向的热流密度(W/m2);是材料的热导率(W/m.K)偏导数为x 方向上的温度梯度，负号表示传热的方向与温度梯度的方向相反。三维状态时，瞬态温度场的场变量T在有方程：为材料密度(kg/m3),c为材料的比热容(J/kg.K),t为时间，三个分别为沿x,y,z方向的导热率（w/m.K），Q是物体内部的热源密度(W/kg).这是一个热量平衡方程，即体元升温所需的热量应等于流入体元的热量与体元内产生的热量的总和。若边界条件和内部

3、热源密度Q不随时间变化则经过一定时间后物体内部各点的温度将达到平衡，即有稳态热传导方程：此方程必须附加初始条件和边界条件(即定解条件)才能得到唯一解。二二.初始条件与边界条件初始条件与边界条件1.初始条件T|t=0=T0 或 T|t=0=T0(x,y,z)2.三类边界条件物体表面或边界与周围环境的热交换通常有三种类情况，既有三类边界条件。（1）第一类边界条件已知物体边界上的温度分布函数T|s=Tw 或 T|s=Tw(x,y,z,t)（2）第二类边界条件已知物体边界上的热流密度这实际上就是Fourier定律（3）第三类边界条件已知物体与其周围环境介质间的对流传热系数k和介质温度Tf当k取不同的值

4、时，上述三类边界条件均可以统一用第三类边界条件式表达，以方便计算机编程计算。三、平面温度场的有限差分求解三、平面温度场的有限差分求解1、二维稳态导热问题的求解 四条边界有四种不同的边界条件：三类边界条件和绝热条件。(1)划分网格 xxi+1-xi ，yyi+1-yi(2)建立差分方程 二维各向同性、无内热源的稳态热传导微分方程有应用四个边界条件：l对流传热边界条件 l热流边界条件l绝热边界条件l给定温度边界条件用Ti,j 表示结点(i,j)处的温度，以差商代替微商，则有：O函数是截断误差代入并舍去误差，令x=y后则有四个边界条件的差分形式如下：l对流传热边界条件l热流边界条件l绝热边界条件l给

5、定温度边界条件这样一个差分方程加四个边界条件式共同构成方程组，从而通过求解得到结果。3、简单算例 P68图36，已知所有边界点的温度且无内热源，利用稳态导热求解线性方程组。四、有限元法求解1、基本方程试探函数：构造的函数，满足边界条件加权余量法：用构造函数计算会有余量，则对余量的加权积分使其为零。型函数NiKTP （热传导矩阵*结点温度阵温度载荷阵）2、平面温度场有限元法求解(1)单元划分：三结点三角形单元三角形的每个顶点称为结点，按逆时针方向对3个结点进行编号i,j,m(2)试探函数：在单元中寻找满足单元的近似函数很方便，也就将试探函数称为插值函数，可以假设每个单元上的温度分布T是坐标的线性

6、函数，有Ta1+a2x+a3y它满足在三个结点上为相应结点的温度值，代入得到TNiTi+NjTj+NmTm其中：Nk(ak+bkx+cky)/(2A)(k=i,j,m)A是三角形的面积，Nk 称为型函数(3)单元积分计算(4)单元总体合成(5)求解 KTP 3、有限元分析实例 工业烟囱壁中的温度分布情况4、采用ANSYS程序计算潜水艇壳体的温度分布情况第四章 材料科学与行为工艺的计算机模拟材料行为工艺是通过调整材料在加工过程中的组织性能来改善其使用性能，利用计算机模拟材料可以部分代替传统的真实试验，提高了效率、节省费用。第三节 相图计算发展历程和计算软件介绍相图是描述相平衡系统的重要几何图形，

7、通过相图可以获得某些热力学资料；反之通过热力学数据可以建立一定的模型，从而计算和绘制相图。相图计算CALPHAD(Calculation of Phase Diagram)是在前人收集、总结热力学数据的基础上发展形成的一门新的介于热力学、相平衡和计算机科学之间的交叉学科。一、相图计算的过程和特点1、相图计算过程 主要步骤：1)体系的热力学、相平衡和晶体结构等文献数据的调研和评价。这是由于实验数据的来源和实验的方法有很多种，从而要加以判别实测数据的合理性及自洽性。2)根据体系中各相的结构特点分别选择合适的热力学模型机器吉布斯自由能函数，主意是利用经过评价后精选的实验数据对自由能表达式中的可调参数

8、进行优化。3)用适当的算法和相应的程序按照相平衡条件计算相图，比较计算结果和实验数据，通过调整可调参数或重新选择热力学模型进行两者之间的吻合。4)从低元系热力学性质的表达式可以外推出高元系的结果。2、CALPHAD方法的主要特点1)体系热力学性质和相图的热力学自洽性。2)外推和预测多元系热力学性质和相图。3)利用相图计算方法可以外推和预测相图的亚稳部分，从而建立体系的亚稳相图，通过这种外推，可以计算那些扩散活性差、难以达到平衡的体系和在极端条件下(如高温、高压、放射性等)下用式样磨难一测定的相图。4)提供相变动力学研究所需要的重要信息。5)可获得以不同热力学变量为坐标的各种相图形式，以便用于不

9、同条件下材料制备过程。二、相图计算软件介绍1.Thermo-Calc由瑞典皇家工学院材料科学与工程系为主开发，它包括了欧共体热化学科学组(SGTE)共同研制的物质和溶液数据库、热力学计算系统(Thermo-Calc)和热力学评估系统(Top)。Thermo-Calc系统有Windows版(TCW)和DOS版(TCC)两种版本,均包含有SGTE纯物质数据库、SGTE溶液数据库、FEBASE铁基合金数据库等多个数据库，还包括了600多个子程序模块。Thermo-Calc可以在http:/www.thermocalc.se下载教学版。二、相图计算软件介绍2.FACT(Facility for the

10、 Analysis of Chemical Thermodynamics)由加拿大蒙特利尔多学科性工业大学计算热力学中心为主开发，它包括了物质和溶液两个数据库及一套热力学和相图等的优化计算软件。FACT在1976年创建，是一种开放的体系，功能日趋完善和强大，含有多个化学热力学计算模块，主要有：l化合物模块中超过5000个化合物的热力学数据(焓、熵、热容、热导、密度、膨胀系数等)。l溶液模块中有超过100个非理想溶液的数据库。l化学反应模块有大量的用于计算化学反应的数据和多元多相平衡。l计算二元化合物相图，以及二元系相图优化和三元交互相图计算等在 http:/www.crct.polymtl.c

11、a可以免费使用FACT的部分模块的有限功能，如Compound-Web、Reaction-Web。三、用Thermo-Calc系统计算相图举例计算Fe-8%Cr-C三元系垂直截面图第四节 计算机模拟在材料科学中的应用一、材料的组成和结构与计算机模拟 材料的组成和结构采用各种大型分析设备进行，如扫描电镜、透射电镜、分析电镜、扫描探针显微镜，各种谱仪和各种衍射仪，这些均是在计算机控制下完成各自的分析工作，而且设备随之提供了各种功能强大的分析模拟软件及其数据库，从而更加有效地提高了分析时的数据处理能力。二、金属材料加工与计算机模拟 用计算机模拟实现试生产、减少实验次数、动态显示材料加工和制备工艺的各

12、个物理量的演变历程和空间分布、预测缺陷和优化工艺流程，极大地缩短了试制周期、减少劳动力成本、提高生产率。三、塑料加工中的计算机模拟利用各种加工技术和计算机辅助工程CAE，实现对塑料制品造型、大量数据调用、人机对话，屏幕显示模拟实际的成型过程、预测塑料制件设计、模具设计和成型条件对产品质量的影响，从而能够方便、快捷地修改，寻求最佳的成型过程，使新的成型制品在较短的周期内顺利投产。现已有多种塑料加工CAE软件。第五章 材料数据库和新材料、新合金第一节 数据库系统的组成与结构将数据的进行集合及其管理、利用，从而对工程数据建立数据库系统，用于存储、管理和使用面向工程设计所需要的工程数据和数据模型，这是

13、将工程方法与数据库技术结合起来，并将人工智能及专家系统与数据库相结合，建成智能化的CAD/CAM集成系统。一、数据库系统概述数据的管理经历了人工管理、文件管理和数据库管理几个阶段。现阶段广泛使用的是关系数据库模型，具有简单清晰、易于理解和掌握。之后有了各种领域的数据库系统，如分布式数据库、工程数据库、模糊数据库、并行数据库及其多媒体数据库等。现在又出现了面向对象数据库。二、数据库管理系统DBMS极大地方便了用户对数据的使用与管理，减轻用户的工作量和复杂性，提高了数据库的安全性，常见的关系型DBMS有：dBASEFoxBaseFoxProINFORMIXORACLEDB2对于数据库的建立、使用和

14、维护都是在DBMS的统一管理和控制下进行的，数据库管理系统通常有数据描述和操纵语言、数据库管理控制程序、数据库服务程序三部分组成。三、数据库系统结构三个部分及三级模式1.数据库：结构化的相关数据的集合，有数据间的关联性。2.物理存储器：存储数据的介质，如光盘、磁盘、磁带等。3.数据库软件：负责对数据库管理和维护的软件，其核心是DBMS。四、数据库数据的主要特征数据库系统管理数据具有下列特征：1.数据共享：多用户同时使用全部或部分数据2.数据独立性：每个用户所使用的数据有其自身的逻辑机构3.减少数据冗余：数据集中管理，统一组织、定义和存储4.数据的结构化：数据的相互关联和记录类型的相互关联5.统

15、一的数据保护功能：并发控制的问题，加强了对数据的保护五、工程数据库的应用数据库经历了第一代的层次数据库系统和网状数据库系统，第二代的关系型数据库系统，直到现在的第三代的面向对象数据库系统，从而满足了现在要在数据库中存放和管理的诸如多媒体数据、空间数据、实时数据、复杂对象、图像对象、知识和超文本等工程数据的需求，也就有了面向对象的工程数据库系统。工程数据库系统可以适合于CAD、CAM、CIM等工程应用领域。要建立工程数据库系统首先需要选择合适的DBMS作为其开发平台，再将工程数据映射成DBMS支持的数据模型，利用DBMS提供的数据定义语言和数据操纵语言，设计数据库的结构，提供操纵数据库数据的用户

16、界面。第二节 材料科学与工程数据库一、材料数据库的发展对于材料数据而言，其数据量十分庞大，目前世界上已有的工程材料数据库有数十万种，各种化合物大几百万种。材料的成分、结构、性能及使用等构成了庞大的信息体系，它们依然在不断更新和扩大。材料中成分的组合若进行实验的话，将耗时、耗力，如果利用材料数据库和其他信息处理技术则可以极大地减少研制工作量、缩短研究周期、降低成本和提高效率。计算机材料性能数据库具有下列有点：1)储存信息量大且存取速度快2)查询方便，由材料查性能，也可以由性能查材料。3)通过比较不同材料的性能数据，进行选材或材料代用。4)使用灵活，即使对材料的数据进行补充、更新和修改。5)功能强

17、大，实现单位的自动转换、图形化表示数据、进行数据的派生。6)应用广泛，配合CAD、CAM实现计算机辅助选材，还可以设计材料性能预测或材料设计的专家系统。现有的材料数据库主要是欧美等发达国家开发研制的，而国内的相关单位也进行了不断的探索，取得了一定成绩，如清华大学材料研究所等单位于1990年联合建成的新材料数据库，它采用Oracle数据库，含有新型金属和合金、精细陶瓷、新型高分子材料、先进复合材料和非晶态材料五个子库，这个数据库主要内容有：材料牌号材料产地材料成分技术条件材料等级材料性能材料评价今后的材料数据库是向网络版方向发展。二、材料数据库的应用举例1.用PC-PDF检索系统分析PVD表面涂

18、层X衍射PDF卡片（Powder Diffraction File），即粉末衍射文档，用于研究X衍射相分析，利用计算机进行检索、处理PDF卡片。由美、英、法和加等国家开发的PCPDF可在下载该软件的演示版DEMO。2.二元相图数据库系统合金相图可以了解合金中各种组织的形成及变化规律，从而研究合金组织与性能之间的关系。合金相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系。利用相图就可以知道各种成分的合金在不同温度下有哪些相，各相的相对含量、成分以及温度变化时可能发生的变化。现在已有了通过各种方法测定得到的大量二元、三元相图，利用它们来为新材料的研究、新工艺的开发提供有效的工具。相图的

19、量非常大，数据库技术为相图的管理提供了必要的条件。美国金属学会ASM和美国国家标准局NIST通过在世界上征集和其他各种渠道、收集了最完整的相图资料，开发出相图数据库相图，包含二元和三元合金相图数据库系统。其二元合金相图数据库系统现有4700余幅二元合金相图。见P123、P124。2.现代网络数据库及估算随着国际互联网的发展，出现了网络化的数据库技术。FACT(Facility for the Analysis of Chemical Thermodynamics)由加拿大蒙特利尔多学科性工业大学计算热力学中心为主开发，它包括了物质和溶液两个数据库及一套热力学和相图等的优化计算软件。FACT收集

20、并整理了有关Internet网络无机热化学网络地址，形成了一个虚拟的无机热化学中心。在FACT的网上用得最多得应用程序有Compound-Web、Reaction-Web、Euilib-Web和Aqua-Web。它们是用CGI，有人机交互功能。(http:/www.crct.polymtl.ca)Internet上的相图网络数据库提供了很多免费的相图，乔治亚洲工学院（Georgia Institute of Technology）的网站http:/ 上也有多个数据库第三节 专家系统一、专家系统的历史和发展Expert System源于人类专家的知识，应用人工智能技术，工具一个或多个人类专家提供

21、的特殊领域的只是、经验进行推理和判断，模拟人类专家作出决断的过程，解决那些原来只有工业专家自己才能解决的各种各样的复杂问题，专家系统实际上是一种计算机程序，在某一特定领域内，能够利用知识和推理来解决人类专家才能解决的问题。二、专家系统的工作原理完整的专家系统由六个部分组成：知识库：用于存放领域专家提供的专门知识，它有知识的数量和质量之分，要选择合适的知识表达方式和数据结构、把专家的知识形式化并存入知识库中.工作数据库：包含问题的有关初始数据和求解过程的中间信息组成。推理机：它要解决如何选择和使用知识库中的知识，并运用适当的控制策略进行推理来实现问题的求解。1.知识获取机制：实现专家系统的自我学

22、习，在系统使用过程中能自动获取知识，不断完善扩大现有系统功能。2.解释机制：专家系统在通用户的交互过程中，回答用户提出的各种问题，包括与系统运行有关的求解过程和与运行无关的关于系统自身的一些问题。3.人机接口：实现系统与用户之间的双向信息转换，即系统将用户的输入信息翻译成系统可以接受的内部形式，或把系统向用户输出的信息转换成人类所熟悉的信息表达方式。三、专家系统的类型按照工程中求解问题的不同性质，将专家系统分为下列几类：1.解释专家系统：通过对已知信息和数据的分析与解释，确定它们的含义，如图像分析、化学结构分析和信号解释等。2.预测专家系统：通过对过去和现在已知状况的分析，推断未来可能发生的情

23、况，如天气预报、人口预测、经济预测、军事预测。3.诊断专家系统：根据观察到的情况来推断某个对象机能失常（即故障）的原因，如医疗诊断、软件故障诊断、材料失效诊断等。4.设计专家系统：工具设计要求，秋初满足设计问题约束的目标配置，如电路设计、土木建筑工程设计、计算机结构设计、机械产品设计和生产工艺设计等。规划专家系统：找出能够达到给定目标的动作序列或步骤，如机器人规划、交通运输调度、工程项目论证、通信与军事指挥以及农作物施肥方案等。监视专家系统：对系统、对象或过程的行为进行进行不断观察，并把观察到的行为与其应当具有的行为进行比较，以便发现异常情况，发出警报，如核电站的安全监视等。控制专家系统：自适

24、应地管理一个受控对象的全面行为，使之满足预期的要求，如空中交通管制、商业管理、作战管理、自主机器人控制、生产过程控制等。四、典型专家系统的分析1.热处理工艺专家系统，见P131第六章 材料加工过程的计算机控制微机和可编程控制器在材料加工过程中的应用可以减轻劳动强度，显著改善产品质量和精度，从而提高产量。计算机在材料加工中的应用有下列几个方面：1)物化性能测试数据的采集和处理2)加工过程自动控制（主要探讨的内容）3)计算机辅助模具设计和制造4)材料加工过程的全面质量管理第一节 计算机控制技术基础在材料加工控制领域中，运用较多的是微机和可编程控制器（Programmable Controller，

25、简称PC），材料加工过程中的基本单元控制一般由可编程控制器或微机控制系统完成，而复杂的生产线可由可编程控制器和微机控制系统共同完成。一、计算机控制系统的概念1.生产过程控制系统的发展生产过程进行的好坏可以从一个或若干个工艺参数上反映出来，如温度、压力、流量、转速、成分等。而自动控制的任务就是在满足生产工艺要求的前提下，使这些变量稳定在一定的范围内，或者按照预定的规律变化，以实现优质、高产、低消耗的目的。工业生产中的自动控制系统随控制对象、控制规律和所采用的控制器结构的不同而由很大的差别。P151的图6-1所示的是一个典型的定值控制系统。该系统是用了一、二次常规仪表，当被控参数很多时，需要的二次

26、仪表就会很多，也会分散而不便于集中管理。2.计算机控制系统的基本原理及一般概念若将P151的图6-1中的调节器用计算机来代替，则就是一个简单的计算机控制系统，但由于计算机只能接受数字信号，所以系统中要有用于数字与模拟信号的转换器，即A/D、D/A，见P152的图6-2。由于工业生产过程一般均是连续进行的，所以应用于工业生产过程控制的计算机系统通常是一个实时控制系统，实时是指三个方面的含义：1)实时检测：检测被控对象的被控参数并通过A/D转换制送入计算机中。2)实时决策：计算机将检测值与设定值进行及时处理（分析、比较、运算），将结果迅速返回、输出。3)实时控制：计算机依运算、决策的结果，发出控制

27、指令，经D/A转换给工业自动化仪表（执行机构），完成对生产过程的实时控制。3.计算机控制系统的分类分类是依据控制目的和控制方式进行，有如下四类：v开环控制系统：只是进行对被控参数进行检测和不正常情况的报警，并对测量的各生产参数处理，比较预先设定值，输出结果。这种系统通常用于生产过程的巡回检测和数据处理、操作指导控制系统。P153的图6-3就是计算机操纵指导控制系统组成图示。v闭环控制系统：计算机对被控的工况参数进行检测、分析、处理并且在可以打印和显示，同时将处理结果（控制信号）通过执行机构反馈给被控对象，实施对生产过程的控制，从而使被控对象、检测元件、计算机、执行机构等构成一个闭合环路。这里的

28、计算机可以集检测仪表、控制器、执行器的功能为一体。常见的闭环控制系统有直接数字控制系统DDC和监督控制系统SCC。由于DDC对生产过程直接影响的被控参数的设定值是预先设定的，所以DDC不能根据生产过程条件和生产工艺参数信息的变化及时修改，故DDC控制方式无法使生产过程处于最佳状态；而SCC中是依据外围设备传送来的各种工况参数（测量值）和其他信息（给定值），按照预先编好的描述生产过程数学模型和最优化设计计算的应用程序，实时计算出既定工艺条件下的给定值，再返回DDC级，从而自动改变（重新设定）模拟调节器或DDC工控机的给定值，使生产过程在最优化的状态下进行。SCC的2种结构：SCC+模拟调节器的控

29、制系统，SCC+DCC的控制系统。P155的图6-4是第二种结构形式。v分布式控制系统：多台微处理器或微机分别担任部分控制任务，它将控制功能进行分散，用多台计算机分别执行不同的控制功能。这种控制系统特别适用于经营管理和生产过程分别由几级计算机进行控制，而系统的每一级都有自己的功能，基本上是独立的，但各级之间相互又有一定的联系，相互之间实现通信。P155的图6-5就是分布式控制系统的图示。v集散控制系统（Distribution Control System，DCS）：以微处理器为基础的集中分散控制系统，它集微机、工控机、数据通信系统、显示操作系统、过程通道、模拟仪表等为一体，构成了一个全新的控

30、制系统。P156的图6-6就是DCS的基本结构图示。DCS的主要特点：1.实现了真正的分散控制 各个过程控制单元安装在距现场较近的地方并且只控制少量回路，单元相互用数据通道进行连接，再接入中央控制室及其他单元控制室，从而有效分散了风险，提高了系统的安全性和可靠性。2.利用数据通道实现综合控制 数据通道承载了多种信号，实现真正的综合控制。3.利用操作台实现集中监视和操作 不仅显示任何一个分散过程单元的全部信息，还可以通过键盘或鼠标进行简单的操作，从而达到实现复杂的高级功能的目的。4.实现最优控制和管理 利用监督控制计算机（上位机）实现生产过程的管理功能，包含各类数据、报表、状态趋势等信息。5.算

31、法优先、精度高、响应速度快、安全可靠、维护方便。DCS发展之后就是计算机集成制造系统。二.计算机工业控制系统的基本功能及其结构组成基本功能：1)模拟量参数的采集、转换及屏幕显示2)模拟量参数的越线报警（声、光的形式）3)被控参数的闭环自动控制4)各种流量的累计计算，用于统计计算5)各种开关量输入信号的检测与各种开关量输出信号的控制，用于设备的启停与各种连锁保护6)生产工艺流程图及各种被控参数的动态趋势曲线的屏幕显示、便于操作人员及时掌握设备运行状态，实现对生产过程的操纵和控制7)工艺参数的记录及打印，以便保存生产技术资料做经济指标考核8)完成与上位机的通信，将下位机的各检测参数和各流量累计值通

32、过数据线传输到上位机，从而接收到上位机的监督控制微机工业控制系统的硬件组成如图6-7所示，共有五个部分：v外围设备：是输入输出过程通道，完成各类工况参数的转换、输入v外部设备：即键盘、打印机、显示器等设备v主机：依据工况参数采用计算机控制软件对信息进行处理、分析和计算，并作出相应的控制决策或调节，通过输出通道发出控制命令v工业对象：就是要进行控制的工艺设备v工业自动化仪表：这是外围设备与工业对象之间的桥梁，仪表的种类有多种，如检测仪表、显示仪表、调节仪表及执行机构等微机工业控制系统的软件均位适合于不同控制对象或控制任务的控制程序，它们具有数据处理、分析计算的功能。三、计算机工业控制系统中计算机

33、的分类和选择v单片机：集成了CPU、存储器，加上一些扩展接口如A/D、D/A和相应的软件即可v可编程序逻辑控制器PLC：应用最为广泛，由微处理器进行控制，用LSI 作为存储器及I/O接口，PLC有强大的逻辑控制和定时功能。现在已将可编程序逻辑控制器命名为可编程序控制器，简称为PC。vSTD总线工业控制机：就是工控机，采用模块式结构，通用性强、可靠性高、系统组成灵活，有各类功能扩展板v工业PC机：结合了个人计算机PC软件资源丰富、软件开发便捷的特点，而结构上采用了工控机的优点。四、计算机工业控制系统的主要特点和基本要求v高可靠性v可维护性v环境适应性v控制的实时性和中断系统v完善的外围设备和指令

34、系统v有正确反映生产过程规律的数学模型和完善的软件系统第二节 计算机控制系统的输入输出一、检测技术从多个不能直接输入计算机处理的被检测的物理量中提取所需要的信息，但这些物理量通常是非电量信号如温度、压力、位移、流量、重量等，还需要将它们转换为电压或电流等信号，而转换后的电信号也应该能正确地反映相应物理量的实际变化情况。传感器：借助于敏感元件，接受物理量形式的信息，并按一定规律将其转换成同种或另一种物理量信息的变化。材料工程中常用到的有用于测温度的传感器如热电偶、热电阻；非接触式的测温仪表如辐射式温度计、亮度温度计等；用于碳势或氮式检测的红外仪、氧探头、氮分解仪等。变送器：类似与传感器，但转换后

35、的信号是标准的（05V或010mA等）。当今的技术发展式将传感器和变送器功能合而为一，出现多参数的变送器并且智能化。二、控制仪表与装置1.调节器：有比例P、积分I、微分D三种基本的调节器，它们均是在接受偏差信号后按各自的规律运算，输出信号来调节。但很少有这三种调节器单独使用的，通常是相互结合使用，共同组成比例积分PI、比例微分PD、比例积分微分PID调节器。2.执行器：D/A转换输出的模拟量信号是05V或010mA，经过调节器调节信号后送入执行器，执行器有三大类，即气动、电动和智能执行器。三、输入输出过程通道过程通道包含了对数字量和模拟量的D/A、A/D转换及数字量（开关量）的I/O等，所以就

36、有模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道和数字量输出通道，详见P169图6-9和图6-10。第三节 材料加工的计算机控制一、高分子材料加工的计算机控制(一)注塑机的计算机控制有顺序控制、过程控制（速度、压力、转速、温度）、制品的质量控制、集中管理和集中监视控制。P171图6-11、图6-12和图6-13。(二)塑料挤出过程的计算机控制P177图6-14(三)薄膜吹塑输出过程的计算机控制P179图6-16二、金属材料加工的计算机控制加热炉的温度、时间、气氛和工序动作的计算机控制，见P180图6-17。三、无机非金属材料烧成的计算机控制见P183图6-18和见P184图6-19。第七章 计

37、算机在材料检测中的应用材料的性能主要决定于它的化学成分和组织结构，化学成分不同的材料具有不同的性能，而相同成分的材料经过不同的加工处理而具有不同的组织结构时，也将具有不同的性能。所以通过对材料的化学成分、组织结构、力学性能及物理性的检测，能更加清晰地揭示材料的深奥秘密。第一节 材料成分的检测通过改变材料的成分可以调整材料的性能，这是利用材料的合成和制备完成的，所以对材料的成分进行细致的检测是必要的。目前有许多大型分析设备用于材料成分的检测：电子显微镜类扫描探针显微镜（SPM）扫描电镜（SEM）透射电镜（TEM）衍射仪类X射线衍射仪电子衍射仪谱仪类红外光谱仪原子吸收谱仪激光光谱仪一、分析电子显微

38、方法这是从微观尺度认识和研究材料的非常重要的手段。在分析电子显微方法中有许多种：1.电子能量损失谱法（EELS）这种方法是分析电子显微方法中重要的技术之一，对轻元素的分析特别有效，还可以对材料的微区组成进行定量分析。2.X射线能谱法（EDS）它也是分析电子显微方法中的成熟的基本技术，利用电子扫描观察装置，使电子束在待测试样上作二维扫描，测量其特征X射线的强度，从而得到特征X射线强度的二维分布图像，这种观察称为元素的面分布分析方法，所以对测量元素的二维分布极为有效。3.高角度散色暗场法（STEM），即Z衬度法这是扫描透射电子显微方法应用之一。上述的各种分析设备几乎都是在计算机采集和数据处理系统的

39、控制下进行工作，而计算机控制系统都配备了不同的设备控制、数据处理分析软件，且功能强大，对检测结果的分析精度和详尽程度是人工无法比拟的。在这些计算机控制系统中的数据处理软件，分为三类：l计算、模拟软件输入被测材料的名称、实验条件和分析要求，系统按某个计算模型或公式输出计算结果，这样就可以用于实验前的结果预测、实验后的结果对比和数据评价。l数据分析、图像分析软件 依据控制实验条件而得到的实验结果（图像或是图谱数据），并按指定的公式运算处理，可以得到计算、分析的结果。l设备控制软件 可以控制分析设备进行工作，输入选择的分析要求、实验条件，分析设备装置按照这些选择运行分析过程。二、各种光谱仪方法光谱分

40、析是依据样品物质的特征光谱，研究其化学成分和存在状态。光谱分析在材料成分分析和结果分析中起着重要的作用，因为每种元素的原子都有自己的特征光谱，根据特征谱线的存在与否，就可以确定样品中是否存在这种元素。每种元素的特征光谱通常包括很多谱线，判断元素的存在并不需要将元素所有谱线都找出来，而只需要找出23根灵敏线即可。因为灵敏线事一些激发电位低得光谱线，它们强度大，在很低含量就能出现，所以材料成分的定性分析就用它们来作分析线，和元素光谱图进行对比分析，依据两者中是否有重合的谱线位置，从而可以判断样品中存在的元素（元素光谱图是标注了许多元素灵敏线的波长位置和强度级别的图片）。有三类光谱：1.光学光谱它包

41、括在紫外光、可见光或近红外光。通过测定特征谱线的波长，可实现样品元素的定性分析，而通过测定某一谱线的发射或吸收的相对强度就可以对样品进行定量分析。2.X射线光谱 它是把样品物质激发出的特征X射线依波长或能量展平即得到波长或能谱，再将待分析元素的特征谱线辨认出来并测得它们的强度，据此进行材料的化学分析成分分析。3.微波辐射光谱定量分析是依据被分析元素谱线的强度确定其浓度，也有3种方法：l峰值比较法 根据特征谱线峰值强度和已知的参考标准谱线峰值强度对应的含量比较而标出浓度。l显线法 被测元素的谱线数目随该元素含量的增加而增加，但某元素达到最低含量值，该元素的灵敏线将出现，随着元素含量逐渐增加会出现

42、次灵敏线和弱线，这样通过标准样品的校准就可以把元素含量和相应谱线数目制成元素的分析线表，测量对比即可。l内标法 选用一条比较谱线即性质相近的元素谱线做内标谱线，用测量分析线与比较谱线的强度比来确定被分析元素的浓度。计算机控制光谱仪的原理图见P189图7-1。在工业现场经常用到一些在线快速检测分析的计算机光谱仪测控系统。第二节 材料组织结构的检测检测直接影响材料性能的材料组织，评价材料缺陷，进行计算机仿真。一、金相图像分析系统计算机金相图像分析系统在自动检测方面具有较高的测量精度，其测量速度快，重现性好，并且能连接金相显微镜、扫描电镜和数码相机等外设，又有功能全面的图像编辑功能有多个例子在P19

43、1P195二、材料缺陷的计算机评定材料缺陷检测、分级评定和材料缺陷对性能的影响研究也是材料组织检测的一项，它们也是保证产品质量的主要环节之一。选择可以利用计算机图像处理与模式识别技术来进行材料缺陷特征参数的研究，可以实现材料缺陷图像获取、材料缺陷检出、材料缺陷识别、材料缺陷尺寸测量和分级评定等功能，基本上是自动化的。例：电站设备零部件缺陷的计算机评定（参见P196图7-2）三、测量显微组织的计算机仿真有了大量的测量显微组织检测后，就可以找出材料组织及其性能之间的关系和变化规律，由此利用计算机进行仿真，从而建立材料的显微组织模型，反之还可以利用显微组织模型去推测材料的性能而不是检测材料的性能。P

44、198的颗粒复合材料显微组织的计算机仿真。第三节 材料力学性能的检测机器的零件受力情况千变万化，所以必须保证零件具有一定的强度和塑性，即各种强度、韧度、硬度的影响，而材料的这些力学性能主要取决于材料的化学成分和微观组织。一、万能材料试验机的计算机辅助测试系统CATP200图7-3二、专项实验设备的计算机数据采集和处理系统1.冲击实验装置 P203图7-42.冲击实验数据采集和处理第四节 材料物理性能的测量材料的物理性能是指其电、热、磁等多方面，测试的方法非常多，测试设备也多种多样，而将这些设备与计算机相结合，可以更加快速、准确地完成测量工作。一、磁性测量中的计算机数据处理二、超导测量性能特性曲

45、线计算机测量三、金属熔点附近热物性参数的计算机测量第八章 材料科学研究中的数据与图像处理对材料研究中的数据作进一步处理，如计算、绘图、拟合分析等，这些功能现在均可利用软件来完成。现讨论Microcal Software公司的Origin V6.0，它可以对科学数据进行一般处理与绘图，主要的功能有：对实验数据进行常规处理和一般的统计分析，如记数、排序、求均值和标准差、快速傅立叶变换、比较两列均值的差异、回归分析。用数据作图（用图形显示数据之间的关系）。用性多种函数拟合曲线。第一节 材料研究中的数据处理一、Origin软件的基本功能和使用方法（）Origin软件的窗口组成标题栏、菜单栏、窗口主体、

46、文件显示栏、状态栏（二）在Origin数据表中输入、编辑和保存数据1.输入数据可以用 Column/Add New Column 添加新的列数据。要先把准备处理或绘图的数据输入系统，再让Origin做数据加工。可以采用3种方法输入数据：1)键盘2)复制其他数据文件 这是利用剪贴板来完成，可以将Word文件表格中的数据、Excel中的数据和别的软件中的数据复制到Origin中3)从已有的数据文件中读入数据 这是方便、迅速和准确的方法，特别对于大量数据的情形更具优势，这就是数据导入功能，导入时兼容了很多的数据格式，如二进制、文本格式、Excel(.xls)、数据库(.dbf)等。l读取Origin

47、二进制数据文件File/Open,在文件夹中选取扩展名为.ooj的文件打开l读取其他格式的数据文件在数据页窗口中，File/Import，在文件夹中选取相应的文件打开l在一个数据页中读入多个数据文件在数据页中读入第一个数据文件后，再再数据列的右边添加足够新列，点击列上部，重复File/Import，在文件夹中选取相应的文件步骤l打开多个数据页，并在其中读入数据文件，可以用File/New/Worksheet,此时会打开一个新的空白数据页，然后利用书面的方法读入或输入数据l在Column菜单下的Fill Column With选项提供了3种快速输入一列数据的功能2.编辑数据 (1)删除用Edit

48、/Clear来清除(置为空白而非零)所选数据格中的数据、用Edit/Delete则时删除所选的数据格。(2)删除数据列(行)选定一列或一行，用Edit/Clear进行清空白，用Edit/Delete则时删除一列或一行。(3)修改数据 选定数据格后进行。(4)改变列的数据类型和属性先在数据页中选定一个数据列，只能有一个 X列，多个Y列、Z列，数据类型可以是数值、字符、时间、日期、月份、星期等。(5)改变数据属性 Column/Set(6)改变数据类型 Column/Option(7)改变数据列名称 Format/Column3.保存和输出数据(1)以ASCII文本方式保存数据 File/Expo

49、rt ASCII(2)Origin的二进制方式保存数据 File/Save .opj(三)数据运算对数据表中的数据利用函数进行赋值、计算，用Column/Set Column Values打开对话框。(四)数据统计计算1.数据按某列的升序或降序排列选定要排序的列后，用Analysis/Sort Column来选择Ascending(升序)或Descending(降序)或Custom(按字母顺序)排序。2.按列求和、均值和标准差选择列后，用Analysis/Statistics on Column进行统计，如和Sum、均值Mean和标准下差sd等3.按行求均值和标准差选择行后，用Analysis

50、/Statistics on Row进行统计。4.一组(列)数据的t-检验(均值与期望值比较)5.两组(列)数据的t-检验(比较X和Y两列数据的均值)6.多元线性回归含有多个变量，回归式为 y=y0+a1x1+a2x2+a3x3+求出定量的经验关系，找到其中的各个系数ai，要选择两个或两个以上的Y数据列，用Analysis/Multiple Regression后就有分析结果。P217例 材料中三种不同的正离子x1、x2、x3与离子的电导率，求出离子的电导率与离子的多元线性回归式。(五)绘图对实验的数据进行绘图、曲线拟合和分辩，绘制的图形有二维、三维，均用Plot菜单完成。Origin自带有模