下载文档原格式
大学计算材料学教案《计算材料学》教案一、教学目标1.掌握计算材料学的基础理论和方法，了解计算材料学的发展历程和前沿研究领域。
2.能够运用计算材料学的理论和方法，对材料进行结构设计、特性预测和性能优化等方面的研究和开发工作。
3.学会使用计算机和软件对材料进行模拟仿真和实验数据分析，能够编写和调试计算程序和算法。
二、教学内容1.计算材料学的概念和基本原理(1)计算材料学的定义和发展历程。
(2)量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论。
(3)分子动力学、蒙特卡罗模拟等材料计算方法。
2.计算材料学在材料设计与性能预测中的应用(1)材料结构的计算设计和材料特性的预测。
(2)固体缺陷和界面的计算模拟。
(3)新材料的计算设计、合成和性能优化。
(4)材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
3.计算材料学的实验数据分析和验证(1)材料实验数据的统计分析和处理。
(2)材料实验和计算结果的对比和验证。
(3)材料计算方法的精度评估和发展方向。
4.计算工具和软件环境(1)计算机及其相关技术。
(2)主流材料计算软件和工具的使用和编写。
(3)计算平台的配置和优化。
三、教学方法本课程采用传统讲授和案例分析相结合的教学方法，通过理论讲解、案例演示、实验操作等方式，加强理论和实践的结合，增强学生对计算材料学掌握和应用的能力。
四、教学要点1.了解计算材料学的基本原理和方法，掌握计算材料学的发展历程。
2.熟悉量子力学、能带论和密度泛函理论等基础理论，掌握分子动力学、蒙特卡罗模拟等计算方法。
3.掌握材料结构的计算设计和材料特性的预测，能够研究固体缺陷和界面的计算模拟。
4.能够进行新材料的计算设计、合成和性能优化，了解材料在界面、表面和纳米尺度下的行为和性能计算。
5.熟悉材料实验数据的统计分析和处理，能够对材料实验和计算结果进行对比和验证。
6.掌握计算工具和软件环境，了解主流材料计算软件和工具的使用和编写。
五、实验安排1.材料性能和结构的计算和模拟。
《计算材料学》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：计算材料学英文名称：Computational Materials二、课程代码及性质课程代码:0817941课程性质:专业选修课程,选修三、学时与学分总学时：32（理论学时：32学时；实践学时：0学时）学分：2四、先修课程高等数学、大学物理、量子力学、计算机基础、C++编程。
五、授课对象本课程面向材料科学专业、功能材料专业学生开设六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）《计算材料学》是以计算机为工具，应用适当的数学方法，对材料科学问题进行数值分析与研究、对材料性质及过程进行数值模拟的新兴学科，是研究材料问题的一种新方法。
它紧密地联系实验与理论，加快材料研发进程。
本课程将针对微观模拟方法中的分子动力学进行介绍，学习分子动力学方法软件lammps并应用于材料各种重要性质的模拟。
本课程总的教学目的：（1）掌握分子动力学模拟的基本原理和流程，理解分子动力学的基本要素及其对模拟结果的重要性。
（2）学会使用lammps程序，并掌握使用模拟方法对材料的常见性质如晶格常数、弹性常数、热膨胀系数、热导率等进行模拟，并用于材料问题的前沿研究；（3）提高和锻炼学生的科研能力，包括文献调研、抽象建模、编程能力、数据处理以及结果分析等能力；（4）提高和锻炼学生的团队领导、合作交流、PPT制作、成果展示、英语阅读和写作能力等。
七、教学重点与难点：教学重点：1.分子动力学基本概念：边界条件、势函数、优化算法2.材料相关性质的模拟：热膨胀系数、熔点、热导率的计算方法教学难点：时间平均与系综平均、边界条件、邻域列表、优化算法、热导率模拟。
八、教学方法与手段：教学方法：(1) 以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成;(2) 安排适量的课堂讨论环节,并通过介绍分子动力学方法在材料领域的前沿研究应用，使学生了解最新的科研动态，并提供相关题目，鼓励学生自由组合，分组进行研究和讨论。
材料科学基础期末总结复习资料材料科学基础期末总结复习资料1、名词解释（1）匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。
（2）共晶转变：合金系中某一定化学成分的合金在一定温度下，同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相的过程称为共晶转变。
（3）包晶转变：成分为H点的δ固相，与它周围成分为B点的液相L，在一定的温度时，δ固相与L液相相互作用转变成成分是J点的另一新相γ固溶体，这一转变叫包晶转变或包晶反应。
即HJB---包晶转变线，LB+δH→rJ（4）枝晶偏析：合金以树枝状凝固时，枝晶干中心部位与枝晶间的溶质浓度明显不同的成分不均匀现象。
（5）晶界偏析：晶粒内杂质原子周围形成一个很强的弹性应变场,相应的化学势较高,而晶界处结构疏松,应变场弱,化学势低,所以晶粒内杂质会在晶界聚集,这种使得溶质在表面或界面上聚集的现象称为晶界偏析（6）亚共晶合金：溶质含量低于共晶成分，凝固时初生相为基体相的共晶系合金。
（7）伪共晶：非平衡凝固时，共晶合金可能获得亚（或过）共晶组织，非共晶合金也可能获得全部共晶组织，这种由非共晶合金所获得的全部共晶组织称为伪共晶组织。
（8）离异共晶：在共晶转变时，共晶中与初晶相同的那个相即附着在初晶相之上，而剩下的另一相则单独存在于初晶晶粒的晶界处，从而失去共晶组织的特征，这种被分离开来的共晶组织称为离异共晶。
（9）纤维组织：当变形量很大时，晶粒变得模糊不清，晶粒已难以分辨而呈现出一片如纤维状的条纹，这称为纤维组织。
（10）胞状亚结构：经一定量的塑性变形后，晶体中的位错线通过运动与交互作用，开始呈现纷乱的不均匀分布，并形成位错缠结，进一步增加变形度时，大量位错发生聚集，并由缠结的位错组成胞状亚结构。
（11）加工硬化：随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降。
（12）结构起伏：液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序、短程有序，并且短程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消彼长、瞬息万变、尺寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏。
《计算材料学》结课复习《计算材料学》结课复习1. 根据模拟对象（空间）尺度和（时间）尺度的不同，我们可以选择相应的方法展开计算材料学模拟。
2.将多原子体系理解为电子和原子核组成的多粒子体系，并利用（绝热近似）将二者的行为区别对待，从而分别利用（量子力学）和(经典力学）进行处理。
3.材料的性质和行为取决于（组成材料的原子及其电子的运动状态），描述原子和电子的运动的物理基础是（量子力学）。
4.模拟原子实体系行为的主要方法是（分子动力学），其基本物理思想是求解一定物理条件下的多原子体系的（牛顿运动方程），给出原子运动随时间的演化，通过（统计力学方法）给出材料的相关性能。
5.描述微观粒子的运动行为采用的是（薛定谔方程），在（<10-13）的微观层次，方程放之四海而皆准。
方程建立容易，困难在于（求解）。
求解多粒子体系的（薛定谔方程）必须针对具体内容而进行必要的（简化）和（近似）。
6.离子实体系的（牛顿）方程决定着体系的（声波的传导、热膨胀、晶格比热、晶格热导率和结构缺陷等）性质。
7.电子体系的（薛定谔）方程决定着体系的（电导率、热导率、超导电性和磁学性能）等等。
8.对电子体系的（薛定谔方程）引入（单电子）近似、（自恰场）近似和（非均匀电子气）理论，建立了（hartree－fock理论）和（密度泛函理论），从而实现电子体系的方程（可解）。
9.（量子力学）使材料科学的体系和结构都了发生深刻的变化，使化学和物理学界限模糊理论上（趋于统一），带动材料科学进入（分子水平）。
10. 70余年，量子力学经受物质世界不同领域（原子、分子、各种凝聚态、基本粒子和宇宙物质等）实验事实的检验，其正确性无一例外。
任何（唯象理论）都不可与之同日而语。
11. 量子力学的第一原理方法只借助（5个基本物理常数）：电子电量、电子,h, c和k)，不依赖任何（经质量、普郎克常数、光速和玻耳兹曼常数 (e, me验参数）即可正确预测微观体系的状态和性质。
湖南工业大学课程设计资料袋理学院（系、部）2011 ~ 2012 学年第一学期课程名称计算材料学指导教师雷军辉职称讲师学生姓名余晓燕专业班级应用物理081班学号08411200135题目计算BN的弹性常数成绩起止日期2011年12月4日～2011年12 月12 日目录清单序号材料名称资料数量备注1 课程设计任务书2 课程设计说明书3 课程设计图张456湖南工业大学1课程设计任务书2011—2012 学年第1 学期理学院学院（系、部）应用物理学专业081 班级课程名称：计算材料学一、设计题目：计算BN的弹性常数二、完成期限：自2011 年12 月 4 日至2011 年12 月12 日共 2 周内容及任务1.DFT基本理论，CASTEP使用方法2.晶体模型的建立与几何优化，相关性质的计算。
3.计算BN的弹性常数4.结果分析5. 报告写作与修改进度安排起止日期工作内容11-12-4-6 熟悉DTT理论，软件安装，认识界面，熟悉基本操作11-12-7 晶体模型建立，进行结构优化，计算物理性质11-12-8 物理性质，力学性质的计算11-12-9 计算BN的弹性常数11-12-10-12 写出课程设计的总结实验报告.，修改成文主要参考资料[1] Kohn W, Sham L J, Self-consistent equations including exchange and correlation effects [J]. Physical review, 1965, 140(4):A1133-A1338.[2] Hohenberg P, Kohn W. Inhomogeneous electron gas [J]. Physical review, 1964,136(3):B864- B871.[3] 谢希德, 陆栋.固体能带理论[M].上海：复旦大学出版，1998.[4] Perdew J P, Chevary J A, Vosko S H. Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation[J]. Physical review B, 1992, 46(11): 6671-6687.指导教师（签字）：年月日系（教研室）主任（签字）：年月日2料）设计说明书计算BN的弹性常数起止日期：2011 年12月4日至2011 年12月12日学生姓名余晓燕班级081学号08411200135成绩指导教师(签字)理学院（部）2011年12 月12 日3计算BN的弹性常数背景：近年来，随着材料、物理、计算机和数学等学科的发展，应用计算的方法研究材料的结构、能量和性能已成为一门迅速发展的新兴学科-计算材料学。
计算材料学期末复习-CMS计算材料学2013期末复习分子动力学方法0、材料多尺度特征、材料模拟计算方法的种类及特点1、什么是分子动力学？2、分子动力学方法包含的要素3、体系动能、内能、温度的定义4、原子间相互作用势：LJ双体势的数学形式、物理意义、特点（长程、势能截断、势能截断方案的必要性及准则）5、原子间相互作用势：EAM多体作用势数学形式、物理意义、特点7、原子间相互作用势：SW多体作用势数学形式、物理意义、特点8、合金体系的原子间相互作用势9、如何由原子间相互作用势求得原子间力？原子间相互作用势（如LJ）二阶导数的物理意义10、典型晶体结构（fcc、bcc、hcp、sc、dc）的特点（最近邻、次近邻、第三近邻距离及原子配位数）11、非晶态体系结构的特点（液体、金属玻璃）12、举例说明MD模拟标定初始条件（粒子位置、速度、温度、体积、压力。
）的重要性13、势能截断距离（rc）与近邻原子；寻找每个粒子的近邻原子数，建立近邻表，如何提升计算效率？（t～N2 or t～N）14、周期性边界条件的目的，周期性边界条件与模型体系的分类，何谓“supercell”？15、代表“理想无限晶体”（fcc Ar，L-J相互作用势）的最小盒子尺寸16、给定势函数，势能截断距离（第二近邻，第三近邻），估算ei和晶格常数a的关系。
估算平衡晶格常数a0，验证此时原子受力是否为零，计算晶体的弹性模量。
17、通过判断粒子受力（fi）和速度（vi）状态，如何简单实现体系的能量最小化？18、能量最小化方法的用途体现在哪些方面?19、选取MD积分时间步长的物理准则20、Verlet积分算法的特点，用其预测粒子位置、速度的精度如何？20、在NVT系综、NPT系综中，体系处于平衡温度时粒子速率分布的特点21、简述分子动力学模拟中，采用经验或半经验原子间相互作用势的理由。
（半经验的原子间相互作用势的合理性体现在哪些方面？）22、MD中体系静态结构的表征23、动态结构：扩散系数、速度自相关函数实验1：晶格常数和体模量1、用MD方法计算晶格常数的基本原理2、平衡晶格常数与分子动力学5要素中最相关的一个要素是_____？3、由本次实验得出Si原子最可能以_____晶体结构排列？3、计算体弹模量的公式。
《材料科学与工程基础》期末复习知识点第二章物质结构基础名词解释：取向力、诱导力、色散力、费米能级、置换固溶体、间隙固溶体、肖脱基缺陷、弗仑克尔缺陷、稳态扩散、扩散通量、同素异构转变、结构弛豫、自由度、泡利不相容原理、洪特规则原子中电子的空间位置和能量1、电子的统计形态法描述四个量子数n, 第一量子数n:决定体系的能量l, 第二量子数l:决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性m l, 第三量子数m l:决定体系角动量在磁场方向的分量m s, 第四量子数m s：决定电子自旋的方向 +l/2，-l/22、电子分布遵从的基本原理：（1）泡利不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，即同一原子中，最多只能有两个电子处于同样能量状态的轨道上，且自旋方向必定相反。
n=1时最多容纳2个电子n=2时最多容纳8个电子主量子数为n的壳层中最多容纳2n2个电子。
（2）能量最低原理：原子核外的电子是按能级高低而分层分布，在同一电子层中电子的能级依s、p、d、f的次序增大。
（3）洪特规则：简并轨道（相同能量的轨道）上分布的电子尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。
结合方式基本结合：离子键、金属键、共价键------化学键合派生结合：分子间作用力、氢键-------物理键合基本结合：1. 离子键合离子键：原子核释放最外层电子变成的正离子与接收其放出电子而变成的负离子相互之间的吸引作用（库仑引力）所形成的一种结合。
典型的离子化合物有NaCl、MgCl2等。
特点：①电子束缚在离子中；②正负离子吸引，达到静电平衡，电场引力无方向性和饱和性----产生密堆积，取决于正负离子的电荷数和正负离子的相对大小。
③构成三维整体-晶体结构；④在溶液中离解成离子。
2. 共价键合共价键：两个原子共享最外层电子的键合。
典型的例子有H2、O2、F2、SiC等。
特点：①两个原子共享最外层电子对；②两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；③有饱和性和方向性，电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。
《计算材料学》结课复习
1. 根据模拟对象（空间）尺度和（时间）尺度的不同，我们可以选择相应的方法展开计算材料学模拟。
2.将多原子体系理解为电子和原子核组成的多粒子体系，并利用（绝热近似）
将二者的行为区别对待，从而分别利用（量子力学）和(经典力学）进行处理。
3.材料的性质和行为取决于（组成材料的原子及其电子的运动状态），描述原
子和电子的运动的物理基础是（量子力学）。
4.模拟原子实体系行为的主要方法是（分子动力学），其基本物理思想是求解
一定物理条件下的多原子体系的（牛顿运动方程），给出原子运动随时间的演化，通过（统计力学方法）给出材料的相关性能。
5.描述微观粒子的运动行为采用的是（薛定谔方程），在（<10-13）的微观层次，方程放之四海而皆准。
方程建立容易，困难在于（求解）。
求解多粒子体系的（薛定谔方程）必须针对具体内容而进行必要的（简化）和（近似）。
6.离子实体系的（牛顿）方程决定着体系的（声波的传导、热膨胀、晶格比热、晶格热导率和结构缺陷等）性质。
7.电子体系的（薛定谔）方程决定着体系的（电导率、热导率、超导电性和磁
学性能）等等。
8.对电子体系的（薛定谔方程）引入（单电子）近似、（自恰场）近似和（非
均匀电子气）理论，建立了（hartree－fock理论）和（密度泛函理论），从
而实现电子体系的方程（可解）。
9.（量子力学）使材料科学的体系和结构都了发生深刻的变化，使化学和物理
学界限模糊理论上（趋于统一），带动材料科学进入（分子水平）。
10. 70余年，量子力学经受物质世界不同领域（原子、分子、各种凝聚态、基
本粒子和宇宙物质等）实验事实的检验，其正确性无一例外。
任何（唯象理论）都不可与之同日而语。
11. 量子力学的第一原理方法只借助（5个基本物理常数）：电子电量、电子
,h, c和k)，不依赖任何（经
质量、普郎克常数、光速和玻耳兹曼常数 (e, m
e
验参数）即可正确预测微观体系的状态和性质。
12.材料建模的不同尺度：电子结构(electronic structure) DFT 10-10 , 原
子结构(atomistic) MD/MC 10-8, 微结构 (microstructure) FEM 10-6 , 连续体(continuum)CFD 10-3
13.各种方法的英文名字及简写：密度泛函方法 density functional
theory(DFT),分子动力学模拟molecular dynamics (MD), 蒙特卡罗模拟monte carlo(MC), 有限元方法 finite element method (FEM), 计算流体力学Computational fluid dynamics (CFD).
14. 其中，（DFT）和（MD/MC）方法侧重于理解和预言；(FEM)和(CFD)方法则侧重于应用。
15. 第一性原理方法的特点是（只借助少量基本物理常数不依赖任何经验参数
即可正确预测微观体系的状态和性质）。
16. 分子动力学模拟中最为关键的是（相互作用势）的构建, 它是对 (目标行为) 的合理化表达。
17. 微结构模拟中常用的方法是（有限元方法）。
其特点是分散，表达，聚合。
18. 连续体模拟中常用的方法之一是（计算流体力学）。
其特点是（有限元方法）。
计算材料学的主要方法及其基本原理
第一性原理、分子动力学、蒙特卡洛、有
限元方法、流体力学。
