具体描述
《计算材料学基础》共9章，主要介绍计算材料学中最具代表性的四种计算方法，包括用于电子和原子尺度材料计算的量子力学第一性原理方法和分子动力学方法，用于微、介观尺度的Monte Carlo方法以及宏观尺度的有限元计算方法。《计算材料学基础》的特点是根据材料专业学生的知识结构和计算材料学自身的特点，重点介绍各方法的基础理论及其在材料研究中的应用，是计算材料学方面的一本较系统、完整的教材。
《晶体结构与物相分析导论》 书籍简介 本书是材料科学与工程领域中一门至关重要的基础课程的深度拓展与实践指南，专注于晶体结构基础理论、实验表征技术及其在材料相态分析中的应用。它旨在为研究生和高年级本科生提供一个全面而深入的视角，理解物质在原子尺度上的排列规律如何决定宏观性能，并掌握现代材料分析中不可或缺的实验技能。 第一部分：晶体学基础与对称性原理 本部分深入探讨了晶体学的基本概念，从晶格理论的建立开始，详细阐述了点阵、晶面、晶向的概念及其数学描述。重点解析了布拉菲点阵的七大晶系与十四种空间点阵的分类与特征，强调了晶体对称性的重要性。 晶体结构描述： 详细介绍了密堆积结构（如六方最密堆积HCP和面心立方FCC）和体心立方结构（BCC）的原子堆积方式、配位数及晶胞参数的确定。对于复杂材料，如陶瓷和半导体，本书引入了结构因子和倒易点阵的概念，为理解衍射现象奠定了坚实的基础。 晶体对称性理论： 阐述了施罗夫符号（Schoenflies notation）和国际符号集（International symbols）在描述晶体对称操作中的应用，包括旋转轴、反射面、反演中心和滑移面/螺旋轴。对称性原理在预测材料物理性质（如压电性、铁电性）中的指导意义被细致剖析。 晶体缺陷工程： 晶体并非完美无缺。本章系统梳理了点缺陷（空位、间隙原子、取代原子）、线缺陷（位错）和面缺陷（晶界、堆垛层错）的类型、形成热力学和对材料力学性能（如塑性、强度）的影响机制。引入了缺陷的统计热力学模型，帮助读者量化缺陷浓度。 第二部分：X射线衍射（XRD）原理与技术 X射线衍射是现代材料表征的“金标准”。本书将XRD理论与实际操作紧密结合，确保读者不仅理解“为什么”发生衍射，更掌握“如何”从衍射图谱中提取结构信息。 衍射物理基础： 详细推导了布拉格定律的物理意义，解释了相互干涉的条件。重点讨论了晶体衍射强度与结构因子的关系，以及洛伦兹因子和偏振因子对衍射峰强度的影响。 单晶与多晶衍射： 分别介绍了单晶衍射（用于精确确定晶体结构和绝对构型）和粉末衍射（最常用的物相鉴定方法）。针对粉末衍射，深入分析了衍射峰的形状、宽度和位置的物理意义。 数据处理与物相分析： 详细指导如何进行衍射峰的精修（如Rietveld精修方法），如何利用标准数据库（如ICDD PDF卡片集）进行未知相的定性分析。探讨了残余应力、晶粒尺寸、微观应变对衍射峰展宽的贡献，以及如何通过谢乐公式（Scherrer formula）估算纳米材料的尺寸。 先进XRD技术： 引入了高/低温衍射、原位（in-situ）衍射在实时监测相变、反应动力学中的应用，以及同步辐射光源在解决复杂结构问题中的独特优势。 第三部分：电子衍射与透射电镜（TEM）基础 对于微区结构分析，透射电子显微镜及其衍射模式是不可替代的工具。本部分侧重于如何利用电子束与晶体物质的相互作用来获取高分辨率的微观图像和衍射信息。 电子衍射几何： 解释了倒易空间与实空间之间的转换关系，特别强调了明场（Bright Field）、暗场（Dark Field）像的形成原理和成像对比度来源（质量衬度与晶格衬度）。 高分辨透射电镜（HRTEM）： 深入讲解了HRTEM成像的像衬度理论，包括多束电子束的激发、像模拟（Simulation）与实验像的匹配，这是解析亚纳米级晶格排列的关键技术。 选区电子衍射（SAED）分析： 详细介绍了SAED图谱的判读方法，包括如何确定晶带轴、识别晶体取向、分析晶体结构缺陷（如位错的 Burgers 矢量确定）和晶界结构。 第四部分：热力学、相图与相变动力学 材料的相态稳定性与转变过程是理解材料设计的基础。本部分将晶体结构知识与热力学原理相结合。 相平衡与吉布斯相律： 回顾了热力学基本定律，重点阐述了相平衡的条件，并熟练运用吉布斯相律分析单组元和多组元系统的相图。 二元和三元相图解析： 以Fe-C合金系统为例，详细解析了共晶、共熔、包析、先析等重要反应，指导读者如何根据相图预测材料的最终微观组织。 相变机制： 分类讨论了扩散型相变（如析出、固溶体分解）和无扩散型相变（如马氏体转变）的动力学特征。引入了形核与长大理论，解释了不同冷却速率对相变产物形貌和尺寸的影响。 读者对象： 本书适合于材料科学、物理学、化学、矿物学等相关专业的本科高年级学生、研究生，以及从事材料研发、质量控制和结构分析的工程师和科研人员。它要求读者具备基础的普通物理和晶体学初步知识。通过学习，读者将能够独立完成从样品制备到数据分析的完整晶体结构与物相分析工作流程。
作者简介
目录信息
第1章 量子力学基础
1.1 波函数与薛定谔方程
1.1.1 波粒二象性
1.1.2 波函数及其统计诠释
1.1.3 态叠加原理
1.1.4 薛定谔方程——量子力学的基本方程
1.1.5 定态薛定谔方程
1.2 算符与力学量
1.2.1 算符
1.2.2 力学量的表示
1.2.3 力学量的取值
1.3 电子在库仑场中的运动
1.3.1 角动量算符
1.3.2 电子在库仑场中的运动
1.3.3 氢原子
1.4 自旋与全同粒子
1.4.1 自旋
1.4.2 全同粒子
1.5 微扰理论与变分原理
1.5.1 原子单位制
1.5.2 Born?Oppenheimer近似——绝热近似
1.5.3 微扰理论
1.5.4 变分原理
1.6 密度泛函理论
1.6.1 Hohenberg?Kohn定理
1.6.2 Kohn?Sham方程
本章小结
习题
参考文献
第2章 量子化学计算
2.1 多电子原子的自洽场计算
2.1.1 原子中电子态的描述
2.1.2 闭壳层组态的Hartree?Fock方程
2.1.3 开壳层组态的Hartree?Fock 方法
2.2 分子轨道理论
2.2.1 概述
2.2.2 闭壳层组态的Hartree?Fock?Roothaan方程
2.2.3 开壳层电子组态的Hartree?Fock?Roothaan方程
2.3 分子轨道从头计算法
2.3.1 基组的选择
2.3.2 电子相关
2.3.3 分子自洽场计算过程
2.4 量子化学计算的应用
2.4.1 单点能计算
2.4.2 几何优化
2.4.3 频率计算
本章小结
习题
参考文献
第3章 能带计算
3.1 Bloch定理与能带结构
3.1.1 Bloch定理
3.1.2 能带的对称性
3.1.3 能态密度和费米能级
3.2 能带计算方法
3.2.1 平面波方法
3.2.2 紧束缚近似方法
3.2.3 正交化平面波方法
3.2.4 赝势方法
3.3 能带计算的过程与晶体物理性质的计算
3.3.1 能带计算的过程
3.3.2 晶体的总能量
3.3.3 几何优化
3.3.4 能带结构
3.3.5 能态密度
3.3.6 布居分析
3.3.7 弹性常数
3.3.8 热力学性质
3.3.9 光学性质
本章小结
习题
参考文献
第4章 分子动力学基础
4.1 引言
4.1.1 什么是分子动力学
4.1.2 分子动力学发展历史
4.2 分子动力学的基本思想
4.2.1 经典力学定律
4.2.2 分子动力学方法工作框图
4.2.3 分子动力学的适用范围
4.3 分子动力学的主要技术概要
4.3.1 分子动力学运行流程图
4.3.2 初始体系的设置
4.3.3 时间步长和势函数
4.3.4 力的计算方法
4.3.5 算法的选取
4.4 分子运动方程的数值求解
4.4.1 Verlet算法
4.4.2 Leap?frog算法
4.4.3 速度Verlet算法
4.4.4 预测校正算法
4.5 边界条件与初值
4.5.1 边界条件
4.5.2 初值问题
4.6 物质的势函数
4.6.1 势函数的简介和分类
4.6.2 对势
4.6.3 适应金属、合金的多体势——EAM，MEAM
4.6.4 共价晶体的作用势
4.6.5 有机分子中的作用势（力场）［33］
4.6.6 分子间作用势
4.6.7 第一性原理原子间相互作用势
4.7 系综原理［33，41］
4.7.1 微正则系综
4.7.2 正则系综（NVT）
4.7.3 等温等压系综
4.7.4 等压等焓系综（NPH）
本章小结
习题
参考文献
第5章 分子动力学性能分析及其应用
5.1 平均值
5.2 分子动力学静态性能分析
5.2.1 温度T
5.2.2 能量
5.2.3 压力
5.2.4 径向分布函数
5.2.5 静态结构因子
5.2.6 热力学性质
5.3 分子动力学动态性能分析
5.3.1 关联函数
5.3.2 输运性质
5.4 聚合物与金属氧化物表面的相互作用
5.5 气体在聚合物中的扩散系数［12］
5.6 Cu的纳米线、纳米薄膜、单晶块材的拉伸力学性能的模拟
5.7 非晶态形成过程的模拟［14］
5.8 第一性原理分子动力学简介
5.8.1 引言
5.8.2 第一性原理多原子体系动力学求解方法(Car?Parrinello方法)
本章小节
习题
参考文献
第6章 Monte Carlo方法
6.1 Monte Carlo方法基础
6.1.1 引言
6.1.2 Monte Carlo方法及其历史
6.1.3 Monte Carlo方法的基本思想
6.1.4 Monte Carlo方法的收敛性和基本特点
6.2 随机数的产生
6.2.1 随机数与伪随机数
6.2.2 伪随机数的产生方法
6.2.3 伪随机数的统计检验
6.3 随机变量抽样
6.3.1 随机变量
6.3.2 随机变量的直接抽样法
6.3.3 随机变量的舍选抽样法
6.3.4 随机抽样在MATLAB中的实现
6.4 确定性问题的Monte Carlo方法求解
6.4.1 蒲丰试验
6.4.2 定积分计算
6.4.3 椭圆偏微分方程的求解
6.5 随机性问题的Monte Carlo模拟
6.5.1 随机行走(random walk)模拟
6.5.2 Markov链
6.5.3 Metropolis Monte Carlo法
6.5.4 Monte Carlo方法的能量模型
6.5.5 格子类型
本章小结
习题
参考文献
第7章 Monte Carlo方法在材料科学中的应用
7.1 Monte Carlo方法与统计物理
7.1.1 宏观量的统计性质
7.1.2 统计平均与归一化分布
7.1.3 近独立粒子系统的统计分布
7.1.4 正则系综的统计分布
7.1.5 Monte Carlo方法在统计物理中的应用
7.2 Monte Carlo方法在高分子材料研究中的应用
7.2.1 高分子链构象的Monte Carlo模拟
7.2.2 高分子链动力学的Monte Carlo模拟
7.2.3 高分子玻璃转变的Monte Carlo模拟
7.3 Monte Carlo方法在无机材料研究中的应用
7.3.1 表面偏析的模拟
7.3.2 多晶材料的晶粒生长的模拟
7.3.3 薄膜沉积动力学的模拟
本章小结
习题
参考文献
第8章 有限元方法基础
8.1 引言
8.1.1 有限元方法的用途
8.1.2 有限元方法简介［1］
8.1.3 有限元法的工程应用［1］
8.1.4 有限元分析的软件平台——ANSYS 程序简介［2］
8.2 材料的静力学分析基础［3－6］
8.2.1 应力状态分析
8.2.2 应变状态分析
8.2.3 应力应变关系分析
8.3 材料的动力学分析基础［3，5，7，8］
8.4 材料的热学分析基础［2，5，8］
本章小结
习题
参考文献
第9章 材料的“场”分析实例
9.1 材料的结构静力学分析［1?4］
9.1.1 结构线性静力分析步骤
9.1.2 结构线性静力分析实例
9.2 结构材料的动力学分析［1，2，5，6］
9.2.1 模态分析
9.2.2 谐响应分析
9.3 高温材料的温度场分析［1，2，5，6］
9.3.1 稳态热分析
9.3.2 稳态热分析实例
9.3.3 瞬态热分析
9.4 磁性材料的磁场分析［2，5，6］
9.4.1 2D静态磁场分析
9.4.2 2D瞬态磁场分析
9.5 材料的耦合场分析［5，6］
9.5.1 顺序耦合场分析
9.5.2 直接耦合方法
9.5.3 实例——热障涂层静态氧化失效过程的有限元模拟
本章小节
习题
参考文献
主题词索引
· · · · · · (收起)
1.1 波函数与薛定谔方程
1.1.1 波粒二象性
1.1.2 波函数及其统计诠释
1.1.3 态叠加原理
1.1.4 薛定谔方程——量子力学的基本方程
1.1.5 定态薛定谔方程
1.2 算符与力学量
1.2.1 算符
1.2.2 力学量的表示
1.2.3 力学量的取值
1.3 电子在库仑场中的运动
1.3.1 角动量算符
1.3.2 电子在库仑场中的运动
1.3.3 氢原子
1.4 自旋与全同粒子
1.4.1 自旋
1.4.2 全同粒子
1.5 微扰理论与变分原理
1.5.1 原子单位制
1.5.2 Born?Oppenheimer近似——绝热近似
1.5.3 微扰理论
1.5.4 变分原理
1.6 密度泛函理论
1.6.1 Hohenberg?Kohn定理
1.6.2 Kohn?Sham方程
本章小结
习题
参考文献
第2章 量子化学计算
2.1 多电子原子的自洽场计算
2.1.1 原子中电子态的描述
2.1.2 闭壳层组态的Hartree?Fock方程
2.1.3 开壳层组态的Hartree?Fock 方法
2.2 分子轨道理论
2.2.1 概述
2.2.2 闭壳层组态的Hartree?Fock?Roothaan方程
2.2.3 开壳层电子组态的Hartree?Fock?Roothaan方程
2.3 分子轨道从头计算法
2.3.1 基组的选择
2.3.2 电子相关
2.3.3 分子自洽场计算过程
2.4 量子化学计算的应用
2.4.1 单点能计算
2.4.2 几何优化
2.4.3 频率计算
本章小结
习题
参考文献
第3章 能带计算
3.1 Bloch定理与能带结构
3.1.1 Bloch定理
3.1.2 能带的对称性
3.1.3 能态密度和费米能级
3.2 能带计算方法
3.2.1 平面波方法
3.2.2 紧束缚近似方法
3.2.3 正交化平面波方法
3.2.4 赝势方法
3.3 能带计算的过程与晶体物理性质的计算
3.3.1 能带计算的过程
3.3.2 晶体的总能量
3.3.3 几何优化
3.3.4 能带结构
3.3.5 能态密度
3.3.6 布居分析
3.3.7 弹性常数
3.3.8 热力学性质
3.3.9 光学性质
本章小结
习题
参考文献
第4章 分子动力学基础
4.1 引言
4.1.1 什么是分子动力学
4.1.2 分子动力学发展历史
4.2 分子动力学的基本思想
4.2.1 经典力学定律
4.2.2 分子动力学方法工作框图
4.2.3 分子动力学的适用范围
4.3 分子动力学的主要技术概要
4.3.1 分子动力学运行流程图
4.3.2 初始体系的设置
4.3.3 时间步长和势函数
4.3.4 力的计算方法
4.3.5 算法的选取
4.4 分子运动方程的数值求解
4.4.1 Verlet算法
4.4.2 Leap?frog算法
4.4.3 速度Verlet算法
4.4.4 预测校正算法
4.5 边界条件与初值
4.5.1 边界条件
4.5.2 初值问题
4.6 物质的势函数
4.6.1 势函数的简介和分类
4.6.2 对势
4.6.3 适应金属、合金的多体势——EAM，MEAM
4.6.4 共价晶体的作用势
4.6.5 有机分子中的作用势（力场）［33］
4.6.6 分子间作用势
4.6.7 第一性原理原子间相互作用势
4.7 系综原理［33，41］
4.7.1 微正则系综
4.7.2 正则系综（NVT）
4.7.3 等温等压系综
4.7.4 等压等焓系综（NPH）
本章小结
习题
参考文献
第5章 分子动力学性能分析及其应用
5.1 平均值
5.2 分子动力学静态性能分析
5.2.1 温度T
5.2.2 能量
5.2.3 压力
5.2.4 径向分布函数
5.2.5 静态结构因子
5.2.6 热力学性质
5.3 分子动力学动态性能分析
5.3.1 关联函数
5.3.2 输运性质
5.4 聚合物与金属氧化物表面的相互作用
5.5 气体在聚合物中的扩散系数［12］
5.6 Cu的纳米线、纳米薄膜、单晶块材的拉伸力学性能的模拟
5.7 非晶态形成过程的模拟［14］
5.8 第一性原理分子动力学简介
5.8.1 引言
5.8.2 第一性原理多原子体系动力学求解方法(Car?Parrinello方法)
本章小节
习题
参考文献
第6章 Monte Carlo方法
6.1 Monte Carlo方法基础
6.1.1 引言
6.1.2 Monte Carlo方法及其历史
6.1.3 Monte Carlo方法的基本思想
6.1.4 Monte Carlo方法的收敛性和基本特点
6.2 随机数的产生
6.2.1 随机数与伪随机数
6.2.2 伪随机数的产生方法
6.2.3 伪随机数的统计检验
6.3 随机变量抽样
6.3.1 随机变量
6.3.2 随机变量的直接抽样法
6.3.3 随机变量的舍选抽样法
6.3.4 随机抽样在MATLAB中的实现
6.4 确定性问题的Monte Carlo方法求解
6.4.1 蒲丰试验
6.4.2 定积分计算
6.4.3 椭圆偏微分方程的求解
6.5 随机性问题的Monte Carlo模拟
6.5.1 随机行走(random walk)模拟
6.5.2 Markov链
6.5.3 Metropolis Monte Carlo法
6.5.4 Monte Carlo方法的能量模型
6.5.5 格子类型
本章小结
习题
参考文献
第7章 Monte Carlo方法在材料科学中的应用
7.1 Monte Carlo方法与统计物理
7.1.1 宏观量的统计性质
7.1.2 统计平均与归一化分布
7.1.3 近独立粒子系统的统计分布
7.1.4 正则系综的统计分布
7.1.5 Monte Carlo方法在统计物理中的应用
7.2 Monte Carlo方法在高分子材料研究中的应用
7.2.1 高分子链构象的Monte Carlo模拟
7.2.2 高分子链动力学的Monte Carlo模拟
7.2.3 高分子玻璃转变的Monte Carlo模拟
7.3 Monte Carlo方法在无机材料研究中的应用
7.3.1 表面偏析的模拟
7.3.2 多晶材料的晶粒生长的模拟
7.3.3 薄膜沉积动力学的模拟
本章小结
习题
参考文献
第8章 有限元方法基础
8.1 引言
8.1.1 有限元方法的用途
8.1.2 有限元方法简介［1］
8.1.3 有限元法的工程应用［1］
8.1.4 有限元分析的软件平台——ANSYS 程序简介［2］
8.2 材料的静力学分析基础［3－6］
8.2.1 应力状态分析
8.2.2 应变状态分析
8.2.3 应力应变关系分析
8.3 材料的动力学分析基础［3，5，7，8］
8.4 材料的热学分析基础［2，5，8］
本章小结
习题
参考文献
第9章 材料的“场”分析实例
9.1 材料的结构静力学分析［1?4］
9.1.1 结构线性静力分析步骤
9.1.2 结构线性静力分析实例
9.2 结构材料的动力学分析［1，2，5，6］
9.2.1 模态分析
9.2.2 谐响应分析
9.3 高温材料的温度场分析［1，2，5，6］
9.3.1 稳态热分析
9.3.2 稳态热分析实例
9.3.3 瞬态热分析
9.4 磁性材料的磁场分析［2，5，6］
9.4.1 2D静态磁场分析
9.4.2 2D瞬态磁场分析
9.5 材料的耦合场分析［5，6］
9.5.1 顺序耦合场分析
9.5.2 直接耦合方法
9.5.3 实例——热障涂层静态氧化失效过程的有限元模拟
本章小节
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参考文献
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· · · · · · (收起)
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