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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