材料设计教程

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；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；最后以大量实例介绍了目前国际上材料模拟与设计的部分近期新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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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）
2.3.4 Car-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
2.6.2 Md法计算相界成分
2.6.3 CALPHAD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ab initio计算方法的理论模型
3.2 高温Ti合金的优化设计
3.2.1 特性原子序列信息
3.2.2 fcc-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ab initio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
3.4.2 β-Si3N4的电子结构
3.4.3 β-C3N4的计算设计与开发
3.4.4 c-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
4.2 CALPHAD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
4.2.4 Ti合金超塑性的Md法计算
……
第5章 材料数值模拟设计
第6章 基于数据采掘的材料设计与预测
第7章 结构复合材料的设计
第8章 功能复合材料设计
第9章 材料成型加工过程模拟设计
第10章 材料变形与断裂的介观设计
第11章 材料表面技术模拟与设计
第12章 材料模拟设计研究进展