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| 內容簡介： |
材料设计与模拟已发展成为一个新兴的学科领域。全书体系分四个层次：首先介绍材料设计的基本概念和内涵，材料设计的主要技术与途径；在材料设计主要技术的基础上，进一步介绍材料设计的*性原理计算、相图热力学设计、数值模拟设计和半经验设计与预测等方面的思路、方法和应用实例；然后介绍目前研究和应用比较典型的设计领域的模拟设计方法及所取得的成果，如复合材料、材料加工过程、材料变形与断裂和材料表面技术等模拟设计等；*后以大量实例介绍了目前国际上材料模拟与设计的部分*研究成果和发展趋势。本书重点论述各种计算途径的方法、思路、特点、应用及其局限性。
该书既是材料类各本科专业学生的公共知识平台教材，也可以作为研究生课程教学的教材或参考书，还可作为从事材料工作技术人员的参考书。
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| 目錄：
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第1章材料设计概述
1．1材料设计发展的历史与作用
1．1．1材料设计的发展阶段
1．1．2材料设计的发展概况
1．2材料设计范围与内容
1．3材料设计的层次与特点
1．3．1材料设计的层次
1．3．2多尺度关联模型
1．3．3材料设计的特点
1．4材料设计的类型和方法
1．5材料设计的任务
本章小结
习题与思考题
参考文献
第2章材料设计的主要技术与途径
2．1材料设计的知识库与数据库
2．2材料设计的专家系统
2．3基于第一性原理的计算设计
2．3．1基本理论的近似假设
2．3．2密度泛函理论
2．3．3准粒子方程GW近似
2．3．4Car-Parrinello方法
2．4材料设计的计算机模拟
2．4．1分子动力学模拟
2．4．2蒙特卡罗模拟
2．4．3人工神经网络在材料设计中的
应用
2．5合金特征晶体理论
2．5．1合金相统计热力学理论
2．5．2合金晶体物理与化学计算框架
2．6基于相图计算的材料设计
2．6．1相图热力学计算模型
2．6．2Md法计算相界成分
2．6．3CALPHAD计算模式
2．7基于数据采掘的材料设计
2．8数学方法在材料设计中的应用
2．8．1有限元法
2．8．2遗传算法
2．8．3分形理论
2．8．4其他方法
本章小结
习题与思考题
参考文献
第3章基于第一性原理的材料设计
3．1原子相互作用势的计算应用
3．1．1第一性原理原子间相互作用对
势的严格表达
3．1．2陈氏晶格反演定理
3．1．3基于abinitio计算方法的理论
模型
3．2高温丁i合金的优化设计
3．2．1特性原子序列信息
3．2．2fcc-TiAl合金信息
3．2．3降低fcc-TiAl化合物脆性的信息
综合
3．3奥氏体钢abinitio计算设计
3．3．1理论基础
3．3．2奥氏体不锈钢模量的计算设计
3．4超硬材料计算设计
3．4．1超硬材料体积弹性模量
3．4．2B-Si3N4的电子结构
3．4．3B-C3N4的计算设计与开发
3．4．4c-BCN设计与开发
3．4．5低压缩系数金属氮化物
本章小结
习题与思考题
参考文献
第4章相图热力学计算设计
4．1相图优化和计算过程
4．2CALPHAD相图计算
4．2．1实际合金集团数据库
4．2．2无铅微焊材料的设计计算
4．2．3超级奥氏体钢相平衡的计算
预测
4．2．4Ti合金超塑性的Md法计算
设计
4．3abinitio和CALPHAD有机结合的
计算方法
4．3．1 ahinitio应用于CALPHAD能量
计算
4．3．2abinitio应用于CALPHAD相图
计算
4．3．3abinitio对动力学计算的贡献
4．4奥氏体钢组织稳定性的数值计算
设计
4．4．1高温组织稳定性
4．4．2中温组织稳定性
4．4．3低温组织稳定性
4．5铜合金热力学计算模拟
4．5．1热力学平衡关系
4．5．2计算模型及程序
4．5．3材料热物理性能的计算模型
4．5．4模拟计算结果与验证
4．5．5三元铜合金相图计算
4．6铝合金热力学平衡相计算
本章小结
习题与思考题
参考文献
第5章材料数值模拟设计
5．1概述
5．1．1材料研究模型化
5．1．2数值模型化与模拟
5．2材料表面激光作用的数值模拟
5．2．1模拟的基本数学模型
5．2．2温度场演化的模拟
5．2．3细晶化和非晶形成的预测
5．3工程应用层次的材料数值计算
5．3．1系统设计思路
5．3．2奥氏体钢强度的数值计算
5．3．3奥氏体钢冲击韧度的数值
计算
5．3．4高性能钢的设计与应用
5．4形状记忆合金的计算模拟
5．4．1边界设计及有限元方法
5．4．2诱发相变热力学
5．4．3应力诱发相变
5．4．4铁基形状记忆合金TRIP钢的马氏体
相变模拟
5. 5奥氏体不锈钢应力腐蚀寿命预测与
计算设计
5．5．1奥氏体不锈钢应力腐蚀寿命曲线与
设计参数
5．5．2奥氏体不锈钢应力腐蚀疲劳寿命
预测
5．5．3奥氏体不锈钢应力腐蚀敏感性
判据
5．5．4奥氏体不锈钢应力腐蚀疲劳
机理
本章小结
习题与思考题
参考文献
第6章基于数据采掘的材料设计
与预测
6．1基于数据采掘的半经验设计方法
6．1．1复杂数据信息采掘原理
6．1．2复杂数据信息采掘各种算法的长处
局限性
6．1．3数据采掘法经验材料设计的
应用
6．2合金设计
6．2，1合金设计技术概述
6．2。2高合金超高强度钢设计
6．3基于组合方法的多组分新材料合成
设计
6．3。1电子材料的发现
6．3．2新型磁性材料
6．3．3多相催化剂开发
本章小结
习题与思考题
参考文献
第7章结构复合材料的设计
7．1复合材料的设计与方法
7．1．1复合材料的可设计性
7．1．2复合材料设计的研究方法
7．1．3复合材料基体与增强体选择
7．2复合材料力学性能计算模型
7．2．1连续纤维增强复合材料性能
7．2．2短纤维增强金属基复合材料
7．2．3颗粒增强复合材料的弹性和
强度
7．3复合材料性能相关性的计算模型
7．3．1性能相关性的计算模型
7．3．2有限元模拟与分析
7．4纳米复合材料有效弹性的
计算
7．5纤维增强复合材料的力学失效与计算
模拟
7．5．1短纤维增强复合材料疲劳性能
模型与预测
7．5．2纤维增强复合材料压缩失效
模拟
本章小结
习题与思考题
参考文献
第8章功能复合材料设计
8．1功能复合材料设计概述
8．1．1功能复合材料种类
8．1．2功能复合材料的设计特点
8．1．3金属基功能复合材料的设计
方法
8．1．4仿生复合材料的设计
8．2热功能复合材料的设计
8．2．1复合材料比热容力口和性原理
8．2．2复合材料热膨胀系数的计算
8．3热防护梯度功能材料设计
8．3．1基本设计思想
8．3．2基本设计方法
8．4其他功能复合材料的设计
8．4．1阻尼复合材料
8．4．2零膨胀复合材料的设计
模拟
本章小结
习题与思考题
参考文献
第9章材料成型加工过程模拟设计
9．1概述
9．2铸造工艺过程的数值模拟
9．2．1凝固过程数值模拟基本方法
9．2．2温度场数值模拟及收缩缺陷
预测
9．2．3应力场的模拟
9．2．4铸件微观组织的模拟
9．3材料连接成型过程模拟
9．3．1焊接热循环主要参数的数学
模型
9．3．2焊接热裂纹的模拟技术
9．3．3焊接应力与残余应力的模拟
预测
9．4金属塑性成型模拟
9．4．1金属塑性成型模拟的基本步骤
9．4．2钢锭锻造形变过程模拟
9．4．3AZ31合金深拉伸过程模拟
9．4．4控轧钢形变诱发相变的计算机
模拟
9．4．5薄板冲压工艺一体化模拟技术
本章小结
习题与思考题
参考文献
第10章材料变形与断裂的介观
设计
10．1概述
lo．2颗粒增强铝基复合材料的力学行
为模拟
10．2．1高体积分数颗粒增强复合材料
力学行为模拟
10．2．2颗粒尺寸效应的数值模拟
10．2．3颗粒增强铝基复合材料的界面
力参数
10．2．4复合结构界面裂纹形成的
模拟
10．3裂端扩展过程的分子动力学
模拟
10．3．1计算模型
10．3．2裂纹尖端位错发射
10。3．3三重嵌套模型和关联参照
模型
10．4周期载荷下裂纹扩展的分子动力学
模拟
10．4．1研究方法
10．4．2模拟结果与分析
本章小结
习题与思考题
参考文献
第11章材料表面技术模拟与设计
11．1概述
11．2多晶薄膜生长过程的模拟
11．2．1FACET模型及模拟分析
11．2．2薄膜岛状结构形成的动力学
MonteCarlo模拟
11．2．3基于Wolf-Villain模型的薄膜
生长模拟
11．3表面涂覆层制备的数值模拟
11．3．1PVD法和CVD法的数值
模拟
11．3．2等离子热喷涂数值模拟方法
11．3．3等离子喷涂温度场数值
模拟
11．4表面涂覆残余应力的模拟计算
11．4．1热喷涂残余应力分析及
模拟
11．4．2高温梯度复合涂层残余应力
数值分析
本章小结
习题与思考题
参考文献
第12章材料模拟设计研究进展
12．1极端条件下的abinitio模拟
12．1．1ab initio分子动力学模拟
模型
12．1．2高压下材料结构的鉴别
12．1．3高压化学反应
12．1．4熔化温度的计算
12．2高分子材料设计的新方法
12．3纳米晶金属的形变
12．3．1金属纳米晶形变机理模拟
12．3．2纳米压痕刻痕、压坑的原子
模拟
12．4材料模拟设计应用进展实例
12．4．1新材料开发
12．4．2新理论研究
12．4．3新材料制备技术
本章小结
习题与思考题
参考文献
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| 內容試閱：
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材料设计科学是综合了材料科学、数学、物理学、化学、力学、计算机科学和工程科学等学科发展起来的交叉学科领域，由于逐渐在材料科学与工程学科各领域中发挥了巨大的作
用而发展成为一个新兴学科领域。现代材料科学与工程的研究，几乎是各个领域都涉及材料的计算、模拟及设计的内容。现代企业在技术开发、产品设计中也都会使用相关软件或方法来进行优化设计、模拟，并在生产加工过程中实现计算机控制，以提高产品质量。
随着科学与技术的发展，对高校的人才培养提出了更高的要求，各学科、专业的内涵也
发生了很大的变化。有关材料设计与模拟的基本概念、思路方法和应用特点等基本知识已逐渐纳入高校人才培养计划中成为必修的课程内容，这已成为大家的共识。因此，近年来许多高校在研究生、本科生中都相继开设了材料计算学、材料计算设计或材料模拟设计等名称的课程，特别是研究生教学计划中，几乎都设置了名称不一、程度不一的课程。目前，虽然也出版了一些著作或教材，但基本上都是从计算设计理论角度来描述教材的内容，在面向工科类学生教学授课时有较大的难度，实际应用性也比较欠缺。
本书特点是层次结构较系统科学、知识概念突出应用性、内容实例注重新颖典型。
本书较系统地介绍了第一性原理计算方法、各种计算机模拟技术、相图设计，也介绍了
传统经验计算设计等内容。全书体系分为四个层次：第一为材料设计的基本概念和内涵，材料设计的主要技术与途径第1、2章，以使读者对材料设计科学有一个宏观的认识和掌握材料设计的基本概念；第二部分是在材料设计主要技术的基础上，进一步介绍材料设计的第一性原理计算、相图热力学设计、数值模拟设计和半经验设计与预测等方面的思路、方法和应用实例，分别为第3～6章；然后在第7—11章介绍比较典型的材料领域模拟设计方法及其研究应用，如复合材料、材料加工过程、材料变形与断裂和材料表面技术等模拟设计。最后，作为正在快速发展中的学科交叉领域，第12章以大量实例介绍了目前国际上材料模拟设计的部分最新研究成果和发展趋势。
在各部分内容的取舍上突出应用性，理论及模拟理论基础的演化过程一般不作详细介
绍，重点是论述各种计算途径的方法、思路、特点、应用及其局限性。因为本书主要是作为材料类各专业本科生或研究生的教材，所以在内容、体系上注重其教学适用性的特点。
对于具体材料及设计领域的各章，在内容安排上力求选择新而典型的成功研究成果。例
如：在第5、11章分别选取了黄克智教授主持的国家自然科学基金重大项目“材料的宏微观
力学与强韧化设计”所取得的部分杰出成果；第9章收入了翁宇庆教授等主持的973项目
“新一代钢铁材料重大基础研究”所取得的成果；在第3章选取了Lenente Vitos和
G．B．01SOB等利用第一性原理计算设计奥氏体钢模量参数、谢佑卿等高温丁i合金的优化设计成果；第10章部分内容编译了BrianCOX等在2006年《Science》期刊上报道的复合结构
裂纹形成模拟的成果；第12章则更是重点选取了在《Science》、《Nature》、《ActaMater》、《MaterialsT。day》等国际著名刊物上最新报道的材料计算与模拟方面的最新研究成果；书中各章许多有关内容还参考了《Comput.Mater.Sci》、《CALPHAD》、《Mater.Sci.&Eng．》等其他国际著名刊物上最近报道的研究成果。有许多内容是交又的，如凝固数值模拟放在第9章，是以内容特点来考虑的，其他各章内容也有类似的情况。所举的一些实例是研究者应用计算理论或模拟软件解决实际问题的研究成果，虽不能说是材料计算与模拟设计研究的准则，但可给大家提供一个应用计算模拟设计理论与方法来研究问题的思路、方法和启示。
编者从事材料模拟设计开发方面的研究已有多年，如奥氏体钢力学性能和相变热力学等
参数的数值、模拟计算、原位增强铝基复合材料的优化设计等。随着材料科学的发展和教学的改革，编者近年来为研究生、本科生开设了计算材料学和材料模拟设计的课程，不断地学习新知识、积累资料充实教学内容。本教材侧重于描述材料各领域计算设计与模拟的思路、方法、应用、可行性及可靠性。另外，金属材料、无机材料、高分子材料和复合材料等方面的内容与例子尽量都能兼顾到，以扩大学生的知识面，增强学生的材料科学与工程MSE学科素质。对本科生开设该课程，目的是使学生了解和掌握材料设计与模拟的基本概念、思路方法和应用特点等基本知识。在研究生教学中，在基本知识的基础上根据不同学科的内涵可在某些方面深入介绍。利用该教材，教师在授课时可根据本科生或研究生的教学要求和学时数，可选择重点授课的内容。在讲授过程中应尽可能地补充一些最新研究成果的实例和图片，以取得更好的教学效果。另外，根据具体情况可安排一些计算模拟
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