郭 丹， 金劍鋒， 王明濤， 賈 楠， 秦高梧

(東北大學 材料科學與工程學院，沈陽 110819)

0 引 言

隨著材料基因組計劃的發(fā)展，數(shù)據(jù)科學逐漸應用于材料領域，國內(nèi)外研究人員基于高通量計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術在預測材料方面取得很多成果，形成了以數(shù)據(jù)為核心的材料設計方法[1-3]，材料設計逐漸由傳統(tǒng)的、相對低效的“經(jīng)驗+實驗”轉(zhuǎn)向新型的、高效的“數(shù)據(jù)+計算+實驗”模式。而計算材料學便是在此背景下迅速發(fā)展的一門學科。它是綜合了材料、物理、數(shù)學、力學、計算機等學科的新興跨領域?qū)W科，利用計算機模擬材料的物理和化學等性質(zhì)，研究材料從微觀到宏觀多個尺度的特征，預測材料的結構和性能，達到優(yōu)化材料、設計新材料的目的[4-5]。因其學科交叉特點，計算材料學的教學內(nèi)容涉及大量抽象概念、數(shù)學運算，理解起來較為困難，僅依靠傳統(tǒng)的理論教學模式往往讓學生覺得枯燥乏味，較難集中注意力跟上教師的教學進度[6]。因此，實驗環(huán)節(jié)在計算材料學教學過程中具有重要作用。合理的實驗內(nèi)容設置能夠充實理論教學內(nèi)容，激發(fā)學生的學習動力，培養(yǎng)學生的綜合能力[7-9]。近幾年，為進一步加強實踐育人工作，我校材料科學與工程學院基于新工科和“中國制造2025”等國家重大戰(zhàn)略理念[10-12]，以人才培養(yǎng)為核心，對計算材料學課程中的實驗教學環(huán)節(jié)進行改革，以前沿科研內(nèi)容引領實驗教學內(nèi)容的改革，在原有以編程為主的上機實驗內(nèi)容中增設“材料數(shù)據(jù)+計算模擬”環(huán)節(jié),實踐中已取得良好的教學效果。

1 實驗教學改革背景

以鎂合金產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景為例進行材料數(shù)據(jù)+計算模擬實驗教學主題設置。在全球綠色節(jié)能發(fā)展的趨勢下，我國不斷推進航空、航天、汽車、軌道交通等領域輕量化發(fā)展，而鎂合金具有密度小、比強度和比剛度高、導熱性良好、切削性能好等特點，是推進輕量化發(fā)展的關鍵基礎材料[13-15]。但與傳統(tǒng)材料相比，鎂合金的常溫力學性能特別是強度和塑性還有待進一步提高，這成為限制鎂合金廣泛應用的一個主要問題。本門課程基于上述前沿科研背景，設置材料數(shù)據(jù)實踐環(huán)節(jié)，讓學生從已公開發(fā)表的科研文獻中分組收集鎂合金數(shù)據(jù)，以期未來建立一個全面的鎂合金材料數(shù)據(jù)庫，指導鎂合金的優(yōu)化設計，推動鎂合金的研究和發(fā)展。同時，設置計算模擬實驗環(huán)節(jié)，從材料數(shù)據(jù)實踐環(huán)節(jié)結果中提取材料特征數(shù)據(jù)，進一步通過有限元力學模擬，預測出材料的力學性能，建立“組織-性能”之間的關聯(lián)關系。

2 教學軟件

在材料數(shù)據(jù)實踐環(huán)節(jié)，使用Granta CES(Cambridge Engineering Selector)(教學版)作為示范教學的軟件。學院于2018年購買了該教學版軟件的版權，將其運用到計算材料學實驗教學中，取得了良好的教學效果。Granta CES最早由英國劍橋大學工程系開發(fā)，目前為美國ANSYS公司收購，故又為ANSYS GRANTA CES。它是一款專業(yè)工程軟件，內(nèi)置了多種材料數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)工程設計準則進行智能材料屬性篩選，輔助工程材料的設計、優(yōu)化工藝和環(huán)保設計。Granta CES數(shù)據(jù)庫中提供了大量的材料數(shù)據(jù)，可以通過Ashby圖來進行不同材料屬性數(shù)據(jù)之間的對比及篩選[16]，適于在計算材料學課程中幫助學生們更直觀地理解和應用材料數(shù)據(jù)。

計算模擬環(huán)節(jié)使用的模擬軟件為英特工程多物理場仿真軟件[17]，該軟件能夠針對工程中常見的結構、流體、溫度、電磁等多物理場問題進行模擬計算，應用于汽車工程、航空航天工程、機械、電力系統(tǒng)、生物醫(yī)學工程等領域，適于在計算材料學課程中的計算模擬環(huán)節(jié)幫助學生實現(xiàn)運用有限元方法模擬鎂合金力學性能。

3 實驗教學實施過程

新實驗方案中材料數(shù)據(jù)+計算模擬實驗教學內(nèi)容包括材料數(shù)據(jù)庫應用、材料數(shù)據(jù)收集與篩選、目標材料計算模擬、組織-性能關系建立4部分，通過這些實驗教學環(huán)節(jié)培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作、自主學習、動手實踐、科研分析、創(chuàng)新思維等多項綜合能力，如圖1所示。

圖1 實驗教學環(huán)節(jié)和能力培養(yǎng)目標

3.1 材料數(shù)據(jù)庫應用-Granta CES(教學版)數(shù)據(jù)庫應用

在材料數(shù)據(jù)實踐環(huán)節(jié)，首先向?qū)W生介紹Granta CES Edupack教學版軟件的使用。以調(diào)用CES數(shù)據(jù)庫中的鑄造鎂合金材料為例，讓學生了解CES數(shù)據(jù)庫的材料數(shù)據(jù)組成。打開鑄造鎂合金的資料界面，可以看到鑄造鎂合金的描述、產(chǎn)品信息，以及不同的材料屬性，包括力學、熱學等屬性，如圖2所示。

由于教學版的材料屬性有限，本環(huán)節(jié)借助一個簡單工程實例向?qū)W生演示如何運用Granta CES數(shù)據(jù)庫軟件進行材料選擇。以設計船槳材料為例：船槳材料要求是質(zhì)量輕、剛度好的桿材料，根據(jù)工程準則：

M=E1/2/ρ

(1)

M的值越大越好，式中E為彈性模量，ρ為密度。同時還要求斷裂韌性K1C>1 MPa·m1/2，價格C<600 元/kg，目標是盡量達到最小化質(zhì)量。首先，使用CES軟件繪制不同材料M值分布圖，如圖3(a)所示，設定選擇M>0.004的區(qū)間。然后，創(chuàng)建斷裂韌性 (K1C) 和價格(C)的對比圖，框選出K1C>1 MPa·m1/2、C<600元/kg的范圍，如圖3(b)所示。結合M值判據(jù)的材料范圍，篩選出4類滿足要求的材料，分別為Bamboo (竹子)，Wood (木頭) 這兩類為傳統(tǒng)的船槳材料；CFRP(碳纖維增強的高分子材料)，該材料通常為賽艇用的船槳材料；Ceramics (陶瓷) 比較脆，一般不適用。通過此例讓學生們學習如何運用Granta CES軟件基于材料數(shù)據(jù)庫進行材料選擇和設計。

圖2 Granta CES軟件數(shù)據(jù)庫中典型材料屬性數(shù)據(jù)

(a) 不同材料M值分布圖

3.2 材料數(shù)據(jù)收集與篩選-設定材料指標與鎂合金數(shù)據(jù)收集

應用Granta CES Selector(2020)科研版數(shù)據(jù)庫，以設計新型輕量化的汽車座椅骨架材料為例，設定新型材料需要滿足力學性能指標：屈服強度σ0.2≥142 MPa、抗拉強度σb≥225 MPa、延伸率δ≥8.3%、價格C<100 元/kg、密度ρ<2 200 kg/m3，同時還需要有一定的可加工性。根據(jù)上述構件應滿足的力學指標，在CES Selector軟件的數(shù)據(jù)庫中篩選出符合條件的工程材料，結果大部分為鎂合金材料，如圖4所示。

(a) 屈服強度(σ0.2)和密度(ρ)對比圖

為進一步優(yōu)化鎂合金材料的性能，在實踐環(huán)節(jié)中安排學生對不同成分的鎂合金進行科研文獻檢索，收集和篩選相關數(shù)據(jù)，為鎂合金優(yōu)化設計提供支持。學生以小組形式進行，每4或5人1組，布置不同合金體系鎂合金的文獻調(diào)研課堂作業(yè)：要求每組學生從表1所列舉的34類常見鎂合金中選擇一類作為研究對象，針對該合金查閱6篇以上2015年后發(fā)表的SCI英文文獻，其中至少包含2篇實驗、2篇原子尺度模擬、2篇有限元微觀/宏觀尺度模擬的文獻；并根據(jù)文獻整理數(shù)據(jù)和結果提交報告，報告內(nèi)容包括:① 鎂合金背景和應用介紹；② 采用的模擬或?qū)嶒灧椒?；?整理出合金成分、工藝參數(shù)、材料熱物性等參數(shù)、典型顯微組織圖(標識出晶粒、析出相等特征結構)、典型應力-應變曲線、強化機制、數(shù)據(jù)來源等相關數(shù)據(jù)信息。該環(huán)節(jié)旨在讓學生具備查找和收集專業(yè)材料數(shù)據(jù)的能力，從而加深對材料數(shù)據(jù)和材料研究的理解。

表1 不同合金體系的鎂合金及對應的工業(yè)牌號

同時，我院也正在開發(fā)專業(yè)的材料數(shù)據(jù)庫，如圖5所示；將學生們收集的材料數(shù)據(jù)按條目錄入該數(shù)據(jù)庫，以數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站形式發(fā)布，方便學生查詢和分析，更好服務于未來的實驗教學和科研。

(a) 鎂合金數(shù)據(jù)庫界面

3.3 計算模擬-基于第2相組織特征的有限元力學性能模擬

在計算模擬實驗環(huán)節(jié)，針對鎂合金中第2相組織特征進行有限元力學性能模擬。模擬方法是基于科研課題建立起來的顯微組織有限元力學模型，可用于模擬不同顯微組織下材料的力學行為。

典型有限元模擬操作分為3部分：前處理、加載和求解、后處理。在本教學環(huán)節(jié)中，首先向?qū)W生介紹英特工程多物理場仿真軟件的使用方法，以模擬鎂合金在單向拉伸過程中的力學行為為例。有限元模擬采用平面應變二維模型，模型設置如圖6(a)所示，包括4個第2相粒子(淺黃色)，鎂基體(淺藍色)，基體尺寸為 2.0 μm×2.0 μm。自定義的第2相為體積含量 14%、半徑0.21 μm、均勻分布的圓形顆粒。前處理主要包括：定義工作文件名、定義工作標題、重新顯示工作窗口，定義單元類型、定義基體材料彈性/非彈性屬性、定義顆粒材料屬性、創(chuàng)建顆粒的幾何模型、創(chuàng)建基體幾何模型、除去基體矩形中顆粒所占的空間、顯示實體的屬性編號、定義單元網(wǎng)格劃分參數(shù)、對基體進行網(wǎng)格單元劃分、對顆粒進行網(wǎng)格劃分、合并基體和增強顆粒區(qū)域、節(jié)點方式顯示，如圖6(b)所示。加載和求解主要包括：定義約束條件、施加載荷、定義分析類型、定義允許大變形、定義輸出結果的時間頻率、定義總/子時間步長、求解。后處理主要包括：設定某個時間步長、繪制變形應力圖、應變與應力輸出、繪制應力-應變曲線等，模擬得到的微區(qū)應力分布圖，如圖6(c)所示。然后，由學生動手實踐以上步驟，實現(xiàn)相關的計算和模擬。

(a) 建立幾何模型

3.4 建立組織-性能關系-分組模擬及結果比較

本環(huán)節(jié)以小組為單位進行計算模擬實踐。各組學生在之前環(huán)節(jié)所提取的鎂合金特征數(shù)據(jù)中分別選出1張典型的第2相強化的鎂合金組織圖片，從中抽象出第2相類型、形狀、尺寸、分布等，構建出對應的有限元平面應變力學模型，模擬其在單向拉伸過程中的力學行為(見圖7)，并對各組模擬結果進行比較，探討相同含量下，第2相顆粒的分布(Model-2)、尺寸(Model-3)、類型(Model-4)、形狀(Model-5)等屬性對鎂合金綜合力學行為的影響，構建出理想化的“組織-性能”之間的關聯(lián)關系。該過程旨在讓學生通過動手操作有限元軟件加深對于計算模擬過程的認識，并通過結果對比鍛煉科研分析能力。同時，基于此過程的“組織-性能”模擬的虛擬仿真平臺目前也正在積極地建設中，其界面如圖7(c)所示。

(a) 力學性能

4 教學效果

4.1 激發(fā)學生的科研興趣

傳統(tǒng)的實驗課程多為計算類實驗，學生在實驗前便已知結果，多為計算模型的操作與驗證過程，形式上較難激發(fā)學生的學習興趣，造成學生被動參與，教學效果不佳。改革后的“材料數(shù)據(jù)+計算模擬”實驗教學是基于新工科理念設計的，將本學科前沿的科研內(nèi)容引入實驗教學，充實理論教學內(nèi)容，能夠提高學生的科研興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。同時，參與實驗的每一位學生，通過自己動手完成收集數(shù)據(jù)、提取數(shù)據(jù)、制定模擬方案、計算材料性能、建立“組織-性能”關系等一系列實驗環(huán)節(jié)后，必將大幅增加學生的成就感、學科歸屬感和集體榮譽感，使學生更有興趣和動力去認真完成本專業(yè)的學習，更有信心去步入今后的科研道路。

4.2 形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料設計理念

未來的時代是人工智能高速發(fā)展的新時代，數(shù)據(jù)+人工智能已成為材料基因工程的核心，依靠科學直覺與反復嘗試的傳統(tǒng)材料研發(fā)方式已不能適應時代的發(fā)展需求。在新時代背景下，學生的科研思維也需要與時俱進，緊跟時代發(fā)展腳步。本材料數(shù)據(jù)+計算模擬實驗環(huán)節(jié)能夠讓學生加深對于材料基因工程的理解，從而在材料研發(fā)的思維方式上發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料智能設計新理念，以培養(yǎng)新工科建設所需的創(chuàng)新型卓越工程人才。

4.3 提高自主學習能力和團隊協(xié)作能力

在社會發(fā)展日新月異的當下，自主學習能力和團隊協(xié)作能力已成為工作中兩項不可或缺的能力。未來社會需要的是終身學習，學校的教育理念也該從教授學生如何“學會”到如何“會學”轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)學生的自主學習能力是新工科背景下學生個體發(fā)展的必然要求。而對集體而言，建立團隊意識能夠凝聚團隊成員的智慧與能力，實現(xiàn)成果最優(yōu)化。本門課中的“材料數(shù)據(jù)+計算模擬”實驗環(huán)節(jié)均以小組為單位完成，各組學生在所布置的實驗要求下，自主檢索文獻、分析數(shù)據(jù)、制定模擬方案、建立組織-性能關系，當遇到問題時通過組內(nèi)交流自行解決，形成互幫互助的機制，充分調(diào)動學生的積極性，培養(yǎng)學生的自主學習能力和團隊協(xié)作能力，同時也使表達能力得到提升。

5 結 語

本門課中的“材料數(shù)據(jù)+計算模擬”實驗教學環(huán)節(jié)可通過改變材料主題(例如：鎂、銅、鋁合金)的方式，克服傳統(tǒng)實驗教學中內(nèi)容重復的缺點，提高學生參與實驗環(huán)節(jié)的積極性。同時，每屆學生收集的大量材料數(shù)據(jù)導入在建專業(yè)材料數(shù)據(jù)庫中進行有效分類和存儲，為未來數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學習模型提供數(shù)據(jù)支撐，更好地服務于材料專業(yè)的教學和科研工作。

將材料數(shù)據(jù)+計算模擬環(huán)節(jié)應用到計算材料學實驗教學中，以科研內(nèi)容為導向創(chuàng)新實驗教學內(nèi)容，結合當下鎂合金材料產(chǎn)業(yè)的應用需求設置實驗教學內(nèi)容，幫助學生理解和應用材料數(shù)據(jù)，并通過計算模擬方法預測材料性能，引導學生轉(zhuǎn)變僅以經(jīng)驗和實驗為主的材料研發(fā)思路，領會“數(shù)據(jù)+計算”驅(qū)動的材料設計內(nèi)涵。同時提高學生的團隊協(xié)作、自主學習、動手實踐、科研分析、創(chuàng)新思維等多項能力，以滿足新工科建設對于人才培養(yǎng)的要求。