具体描述
本书是根据德国Wiley-VCH图书公司出版的D·Raabe所著《计算材料学》 (ComputationalMaterials Science)译出的。作者在书中采用系统而独特的观点，论述了计算材料科学中广泛使用的各种不同的模拟方法。本书共由五部分组成：第一部分为基础篇，主要介绍了在材料模型化和模拟中所采用的基本概念和原理；第二部分论述了纳观至介观尺度的模拟方法，包括各种Metropolis蒙特卡罗和分子动力学方法；第三部分是关于微观至介观层次的模拟方法，其中包括位错动力学、金兹堡—朗道型扩散相场动力学方法、其中包括位错动力学、金兹堡-朗道型扩散相场动力学方法、元胞自动机、多态波茨动力学模型、几何及组分模型、拓扑网格及顶点模型；第四部分在介观至宏观晶体模型；第五部分主要阐述了模型化学模拟的集成化问题。在本书附录中，作者还对计算机分类、模糊集合论、人工神经网络和逾渗理论作了简要介绍。同时，每章还给出了各种模拟方法在材料科学中的应用例子，并附有大量参考文献，以便为读者进一步学习和研究提供帮助。
本书是计算机科学方面的一本较系统、完整的参考书，可供综合大学和理工科大学材料科学与工程各专业高年级学生、研究生、教师以及相关专业的科学研究工作者参考。
作者简介
目录信息
绪论1
第1章材料科学中的数学模型4
1.1数学模型4
1.1.1数学模型的概念4
1.1.2数学模型的分类5
1.2建立数学模型的步骤6
1.2.1自变量6
1.2.2态变量6
1.2.3运动学方程6
1.2.4状态方程6
1.2.5结构演化方程7
1.2.6各种参数7
1.2.7模型的建立7
1.3数学建模方法8
1.3.1理论分析方法8
1.3.2模拟方法9
1.3.3类比分析方法12
1.4系列检验法14
参考文献14
第2章数值分析方法15
2.1微分方程的数值解法15
2.2微分方程的数值解法17
2.2.1努梅罗夫法17
2.2.2龙格库塔法18
2.2.3高阶微分方程和一阶微分方程组的龙格库塔求解法19
2.3偏微分方程的解法20
2.4有限差分方法的基本原理20
2.4.1差分方程的建立21
2.4.2差分方程的求解方法23
2.4.3差分方法的数值误差26
2.5有限元方法的基本原理27
2.5.1离散化与有限元方法的基本步骤27
2.5.2加权余量法30
2.5.3变分原理和里茨方法32
参考文献33
第3章系综原理35
3.1微正则系综(NEV)35
3.2正则系综(NVT)39
3.3正则系综与微正则系综的区别41
3.4等温等压系综(NPT)42
3.4.1恒温方法——热浴42
3.4.2恒压方法——压浴42
3.5等压等焓系综(NPH)44
3.5.1晶胞结构矩阵与矢量的建立45
3.5.2仅有均匀恒压的情况45
3.5.3系统受到外都胁强时的一般情况46
3.6巨正则系综(GCE)47
3.7吉布斯系综48
3.8半巨正则系综49
3.9非平衡系综动力学49
参考文献51
第4章蒙特卡罗方法与应用52
4.1蒙特卡罗方法的历史52
4.2蒙特卡罗方法的基本思想52
4.2.1蒙特卡罗方法思想52
4.2.2马尔可夫过程53
4.3蒙特卡罗方法的收敛性和基本特点54
4.4随机数55
4.4.1产生随机数的方法55
4.4.2伪随机数的随机性检验57
4.5随机变量的抽样方法58
4.5.1随机变量的直接抽样法58
4.5.2随机变量的舍选抽样法60
4.5.3Metropolis抽样法60
4.6不同系综的蒙特卡罗方法62
4.6.1微正则系综蒙特卡罗方法62
4.6.2正则系综蒙特卡罗方法63
4.6.3等温等压系综蒙特卡罗方法65
4.6.4巨正则系综蒙特卡罗方法66
4.7蒙特卡罗方法的误差66
4.8蒙特卡罗方法应用举例——薄膜沉积动力学的模拟67
参考文献70
第5章分子动力学72
5.1分子动力学的基本思想72
5.2理论力学原理73
5.2.1最小作用量原理74
5.2.2拉格朗日方程75
5.2.3哈密顿方程76
5.2.4哈密顿量与半经典量子化计算78
5.2.5牛顿方程80
5.3分子动力学主要技术方法81
5.3.1分子动力学运行流程图81
5.3.2初始体系81
5.3.3时间步长和势函数82
5.3.4边界条件82
5.4粒子与粒子系综83
5.4.1相互作用的多子系综84
5.4.2粒子相互作用模型的平衡统计性质——热力学性质的时间平均84
5.5粒子系综运动方程的数值解法85
5.5.1维烈特算法85
5.5.2吉尔算法86
5.6分子动力学模拟实例87
参考文献88
第6章势函数89
6.1势函数的定义90
6.2势函数的简介和分类90
6.3经典理论91
6.3.1对势91
6.3.2多体势——EAM，MEAM92
6.3.3共价晶体的作用势94
6.3.4有机分子中的作用势95
6.3.5分子间作用势98
6.4电子理论99
6.4.1半经验势99
6.4.2经验势101
6.4.3赝势模型101
6.4.4紧束缚势模型和密度泛函理论104
6.5第一性原理分子动力学方法110
参考文献113
第7章相场动力学114
7.1扩散相变理论114
7.1.1扩散的唯象定律114
7.1.2奥斯特瓦尔德催熟和吉布斯汤姆逊方程116
7.1.3栗弗席兹斯里沃佐夫瓦格纳理论119
7.2连续体相场动力学模型120
7.2.1卡恩希利阿德模型和艾伦卡恩模型120
7.2.2热涨落123
7.2.3朗道能量密度泛函124
7.3微观相场动力学模型124
7.4弹性应力的影响126
7.5材料科学中相场模拟的应用举例127
7.5.1亚稳分解模拟过程127
7.5.2晶粒生长模拟128
参考文献128
第8章元胞自动机方法130
8.1元胞自动机的基本原理130
8.2元胞自动机的分类132
8.3元胞自动机在材料科学中的表现132
8.4概率性元胞自动机133
8.5晶格气元胞自动机方法134
8.6元胞自动机模拟的网格类型136
8.7元胞自动机与蒙特卡罗方法的比较136
8.8元胞自动机解法137
8.8.1确定性元胞自动机解法137
8.8.2概率性元胞自动机解法138
8.8.3元胞自动机实例——再结晶模拟139
参考文献140
· · · · · · (收起)
读后感
用户评价
这本书的封面设计简直让人眼前一亮，那深邃的蓝色调配上简约的几何图形，一下子就把我拉进了一个充满未知与探索的领域。我原本以为这是一本晦涩难懂的纯理论著作，但在翻开扉页后，我发现它在引言部分就以一种非常平易近人的方式介绍了计算材料学的核心思想。作者并没有急于抛出复杂的公式，而是通过几个生动的实际案例，比如新型合金的研发过程，来阐述模拟技术在材料设计中的关键作用。阅读过程中，我能清晰地感受到作者试图构建一座桥梁，连接理论物理与工程应用。比如，书中对第一性原理计算的介绍，虽然涉及量子力学的基础，但作者巧妙地穿插了图表和类比，使得即便是对量子理论不太熟悉的读者也能抓住其精髓。特别是关于密度泛函理论（DFT）的讲解，没有过多纠缠于数学推导的细节，而是聚焦于它能解决什么问题，以及如何选择合适的泛函——这对于初学者来说至关重要。这种注重应用和直观理解的叙事方式，极大地降低了学习的门槛，让我对后续深入的学习充满了期待。我对其中关于材料微观结构与宏观性能之间关系的论述印象尤其深刻，它展示了“看见”原子尺度的变化如何指导我们设计出更坚固、更耐腐蚀的新材料。
这本书的图表质量和信息密度达到了一个惊人的平衡点。很多复杂的晶体结构、能带图以及应力-应变曲线，都被绘制得极其清晰，关键信息一目了然，几乎不需要依赖冗长的文字去解释。更重要的是，作者在解读这些图表时，总能深入到物理机制层面。比如，在讨论合金中的析出相时，不仅仅展示了其在晶格中的位置，还结合电子密度分布图解释了为什么这个位置的结合能更稳定。这种“图文并茂”的展示，极大地增强了学习的效率和深度。此外，书中的参考文献引用非常全面且具有前瞻性，对于每一个关键理论或方法，都能找到最新的研究佐证，这表明作者对该领域的掌握是动态且与时俱进的。对于希望将计算结果应用于实际工程设计，特别是材料的性能预测和优化方面的读者来说，这本书提供的不仅仅是理论框架，更是一套严谨的科学评估工具箱，它教会我们如何批判性地看待和使用计算数据。
与我之前读过的几本偏向纯理论的材料学书籍相比，这本书的“人情味”更浓厚一些，作者似乎非常理解科研工作者在面对复杂问题时的那种挫败感，并及时提供了抚慰和指引。在探讨特定计算难题（比如相变模拟的陷阱）时，作者会坦诚地指出常见的错误模式，并分享了避免这些陷阱的“经验之谈”。这种基于多年研究经验的分享，是任何教科书上都难以获得的宝贵财富。我尤其欣赏其中关于结果验证和误差分析的部分，它告诫读者，计算结果并非“真理”，而是基于特定假设的模型输出，因此必须要有严谨的对比和交叉验证。书中穿插了一些历史性的案例，比如对早期模拟方法的局限性回顾，这让我对计算材料学这门学科的发展脉络有了更清晰的认识，避免了重复前人已经解决或证明无效的路径。这使得阅读过程充满了对话感，仿佛在与一位经验丰富的导师进行深入交流，而不是被动地接收知识点。
这本书的结构安排堪称精妙，逻辑链条环环相扣，让人读起来有一种豁然开朗的感觉。它不仅仅是一本教材，更像是一部系统的工程方法论指南。我特别欣赏它对计算流程的系统性梳理，从预处理（如晶格构建、缺陷引入）到求解计算（不同力场或方法的选择），再到后处理（数据可视化与分析），每一步都被详尽地剖析，并给出了不同计算尺度的适用性分析。例如，在介绍分子动力学（MD）模拟时，作者深入探讨了如何平衡计算成本与模拟精度的问题，这在实际研究中是绕不开的困境。书中提供的软件使用建议也非常具有实操性，虽然没有手把手教敲代码，但它指出了每种主流软件（比如LAMMPS或VASP）在处理特定问题上的优势与局限，这对于我们进行项目选择时提供了宝贵的决策参考。读到中后段关于热力学和动力学模拟的章节时，我感觉自己像是在进行一场高级的思维训练，如何用计算的视角去预测材料在极端条件下的行为，这比仅仅停留在实验观察层面要深刻得多。这种由浅入深、注重方法论的写作风格，使得这本书具有很强的工具书价值。
坦白说，这本书的深度足以让资深研究人员也受益匪浅，但它对待新手却保持着极大的耐心和包容性。我最喜欢的一点是，它没有把“计算材料学”仅仅局限在电子结构计算这个狭窄的范畴内，而是将其拓展到了多尺度建模的宏大视野。书中对介观尺度的模拟方法，如相场法（Phase-Field）与有限元方法的结合，进行了深入浅出的介绍。这种跨尺度的视角，成功地将我们从孤立的原子世界拉回到了宏观工程应用层面，这对于我这种希望将计算结果转化为实际产品性能指标的研究方向来说，简直是久旱逢甘霖。它清晰地展示了如何通过连接不同尺度的模型，实现从原子级别设计到部件级别性能预测的“数字孪生”目标。这种系统性的、整合性的知识传授，远超出了我阅读前对一本专业书籍的预期，它提供了一个完整的、可操作的研究范式，让人读完之后，立刻有了着手开展复杂交叉学科研究的信心和方向感。
从头计算、第一性原理、唯象理论、经验方法；纳观、微观、介观、宏观
有点难度，一时半会儿看不完。
介绍了从纳观尺度到宏观尺度的材料微结构的模拟与分析方法，侧重于晶体分析。
有点难度，一时半会儿看不完。
介绍了从纳观尺度到宏观尺度的材料微结构的模拟与分析方法，侧重于晶体分析。
