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中国教育科研网格二期建设项目材料科学与工程重点学科网格平台及应用建设预验收会议在西工大召开
来源:高性能计算中心 作者:高性能计算中心 发布时间:2013/10/15 9:18  点击数:1682 次 

        2013年10月10日下午,中国教育科研网格(ChinaGrid)二期建设项目材料科学与工程重点学科网格平台及应用建设预验收会议在西北工业大学召开。中国计算机学会常务理事、西北工业大学计算机学院院长兼软件与微电子学院院长、高性能计算研究与发展中心主任周兴社教授以及本项目参与单位中南大学、华南理工大学、北京科技大学、东北大学、北京化工大学和上海大学的信息学科专家及材料学科专家共十余人参加了会议。会议由西北工业大学谷建华教授主持。

         中国教育科研网格二期建设项目是“十一五”211工程高等教育公共服务体系建设的重要内容,中国教育科研网格二期项目建设任务由华中科技大学等42所高等学校承担,建设内容主要包括网格资源建设、重点学科网格平台与典型应用建设和公共支撑平台建设。2011年3月24日,国家发展改革委批准了中国教育科研网格二期建设项目可研报告,2011年4月1日教育部科学技术司转发了国家发展改革委的批复。中国教育科研网格二期建设项目子项目“材料科学与工程重点学科网格平台及应用建设”由国内七所高校共同完成,我校信息与网络中心主任黄烟波教授作为中南大学子项目的责任人负责项目的总体实施。
 
        信息与网络中心高性能计算部门负责人和粉末冶金国家重点实验室杜勇教授科研团队的科研人员出席了此次预验收会议,我校代表分别就系统部署和典型应用两大部分内容的完成情况向与会专家进行了详细的汇报。


       
 
       系统部署部分的汇报针对项目合同约定的考核指标加以阐述,其中,硬件部署包括操作系统安装、编译环境、网络配置、网络接入,应用软件的编译、安装、调试、配置、HPC Linpack测试和ChinaGrid公共支撑平台CGSP的部署,此次部署的硬件包括9台计算节点,1台管理节点和1台存储节点,管理、计算和监控交换机各一台,KVM系统一套。整套集群系统双精度浮点运算理论峰值为合计2.995T,实测2.322T,效率0.775。整套集群系统提供18TB的存储空间。
 
         同时,作为项目要求提供的服务内容,中南大学提供了10种材料科学与工程应用软件的远程访问和计算服务,提供了“有色金属文摘数据库”的数据远程查询服务,配合华中科技大学、西北工业大学参与材料科学与工程重点学科网格材料应用软件服务、材料数据库服务和材料学科共享信息的集成工作。部署了ChinaGrid公共支撑平台CGSP(ChinaGrid Support Platform),为将我校提供的“有色金属文摘数据库”集成到材料科学与工程重点学科资源云编写了有关代码。与会专家对我校为项目建设所做的工作高度认可。
         典型应用部分是由中南大学粉末冶金国家重点实验室杜勇教授科研团队完成的“高性能材料多尺度设计及其应用研究”,该应用研究是揭示与掌握多元多相金属材料制备过程中组织结构演变及其与力学性能的量化规律,是材料科学研究的核心内容,是实现材料性能重大突破的关键。采用相图计算、第一原理计算、扩散模拟、相场模拟、连续介质力学模拟等计算方法同相关的实验方法相结合,发展了对种高性能材料的热力学、动力学、微观结构演变以及力学性能等进行半定量或定量描述的科学方法。本研究工作可望为改善现用高性能材料的组织结构和提高其力学性能奠定重要的理论基础,并使材料制备全过程中组织结构演变的定量描述及其与力学行为定量关系的研究前进关键的一步。

 ◎对材料学科建设的促进作用

 1)Al合金热力学和动力学数据库的建立

        相图被誉为材料设计的指导书、冶金工作者的地图和热力学数据的源泉,其重要性已被材料、冶金、化工、地质工作者等广为认同。通过结合相图计算、扩散模拟和第一原理计算,建立了多元商用铝合金相图热力学、动力学数据库,并对其微观结构演变开展了系统研究。该数据库经世界领先的热力学及动力学计算软件研发中心瑞典皇家工学院和Thermo-Calc公司的专家检验,该铝合金热力学和原子移动性数据库是国际上罕见的高质量数据库。该数据库目前已经在世界范围内推广,并不断得到成功应用的报道,具有广泛的国际影响。

 2)铝合金时效强化过程中微结构演变与力学行为定量关系的研究

         在相图热力学和扩散动力学数据库的基础上,发展由微观结构参数为基本出发点,通过计算模拟和关键实验来半定量或定量描述力学性能(硬度、屈服强度、延伸率、断裂韧性)动态演变的科学方法。通过构建任意热力学状态过程的通用能量泛函,并引入“界面渗透性参数P”,发展了一种考虑有限界面耗散的新相场模型。该模型既可退化为经典的相场模型外,还可以通过调整P值来描述任意的非平衡过程。此外,我们还通过引入“界面场”的概念成功将该模型扩展到多组元多相,并自主开发了相应的并行计算机程序,用于定量描述任意多组元商业合金的微观结构演变模拟。

 3)Ti-Al-(Zr,Hf)-N耐磨涂层的热力学及力学性质的第一原理计算

    基于第一原理计算结合准谐近似方法、有效应力应变方法和特殊准随机模型对相关三元体系结构,力学、热力学和调幅分解曲线,以及调幅分解析出立方二元氮化物的性能进行了系统研究。得到的热力学、弹性性质为涂层在高温情况下的研究和应用提供必要参考。另外通过研究不同元素对调幅分解引起的涂层时效硬化提高其力学性能的影响的研究,如发现Ti-Al-N体系中添加Zr元素可以增加其时效强化能力,主要原因是Zr元素的添加拓宽了其调幅分解成分范围。计算结果与实验观察相一致,可为四元Ti-Al-Zr-N体系高温研究和应用提供有用信息。



 4)梯度硬质合金及耐磨涂层的计算模拟

         利用所建立的热力学及扩散动力学基因库,模拟了WC-Ti(C,N)-TaC-Co硬质合金梯度层形成过程,计算所得各相体积分数及组元成分与实验结果相吻合。并能够很好的描述合金表面组元成分分布和对样品梯度层的形成。基于第一原理计算和实验对广泛应用的三元Ti-Al-N耐磨涂层体系的结构、力学、热力学性质和调幅分解曲线,以及调幅分解析出立方二元氮化物的性能进行了研究。计算结果与已有实验值符合较好,可为高性能硬质合金和多元涂层的开发设计提供理论指导。



 ◎应用实施技术路线

 1)建立耦合相图计算、原子尺度模拟及实验的新方法;
 2)构筑含亚稳相多元铝合金相图热力学和相变动力学数据库;
 3)集成相图计算、扩散模拟、相变模拟和关键实验,实现多元铝合金凝固过程微结构演变的定量描述;
 4)解决建立多元铝合金数据库及凝固过程微结构定量描述的一些关键科学问题,为设计具有我国自主知识产权和世界最先进的高性能铝合金奠定重要的理论基础。




 ◎关键技术的先进性和创新性评述

         有序-无序转变的热力学模型是国际上一直未合理解决的重大科学问题,当前的研究主要用独立的热力学模型来描述同一相的有序和无序状态,且模型不能准确描述和预测多元系相平衡信息。应用考虑有序/无序相变理论及晶体结构信息,首次用一个热力学模型描述多元相的有序和无序状态,突破前人用四个模型分别描述三个有序和一个无序状态的局限性,为多元系有序/无序相变的热力学研究提供了通用热力学模型。

         国际上缺乏获得多元相扩散系数矩阵的有效方法:单一的理论或实验方法几乎无法获得多元相扩散系矩阵,通过应用扩散系数测评、扩散动力学模拟及原子尺度模拟想结合的方法,获得各元素在相中的原子移动性参数,构筑出多元相的扩散系数矩阵,发现了描述线性化合物扩散生长的新规律。

         线性化合物的扩散生长描述是国际上一直没有解决的难题,主要由于浓度梯度为零,热力学因子无穷大,菲克定律失效。应用中首次引入平均热力学因子,利用热力学模型、扩散动力学和晶体结构来建立一个描述线性化合物扩散生长的新模型。

 ◎项目取得的部分成果和建设成效

 1)提出耦合相图计算、第一性原理计算及实验构筑含亚稳相的多元相图的新方法:将相图计算及第一性原理与实验相结合,研究了多元Al合金的相平衡。还考虑晶格振动与热电子激发对自由能的贡献,计算了系列亚稳相的热力学性质,并设计实验验证了计算结果。这些工作拓展了相图计算的应用范围。研究方法被Metall. Mater. Trans. A论文审稿人评价为:作者的研究工作提供了一种研究相平衡的创新方法。

 2)建立了描述多元系有序和无序相的通用热力学模型:考虑有序/无序相变理论及晶体结构信息,首次用一个热力学模型描述多元相的有序和无序状态。此模型突破前人用两个模型分别描述有序、无序状态的局限性。该模型已成功用于多元Al合金的热力学计算。国际刊物CALPHAD主编L. Kaufman教授称其为杜-金模型。

 3)建立了获得三元化合物高温热力学性质的集成方法:通过相图计算、第一性原理和量热的耦合获得了Al基三元化合物的高温热力学性质。该集成方法是获得三元化合物高温热力学性质最准确的科学方法;被国际权威刊物Acta Mater.审稿人评价为新方法。

 4) 建立了国际上迄今最为准确的多元Al合金相图热力学和扩散数据库,并成功用于微观结构演变的模拟:在上述工作基础上,构筑了国际上最为精确的多元Al合金相图热力学和扩散系数数据库。耦合相图计算和相场方法,定量模拟了Al合金凝固和热处理过程中微观结构的演变,使多元多相材料微观结构的定量模拟前进了一步。所建立的热力学数据库被瑞典科学院院士M. Hillert教授等评价为国际上少有的高质量数据库。

 5)发现了一种描述线性化合物扩散生长的新模型,提出了构筑多元相的扩散系数矩阵的新方法:线性化合物的扩散描述是扩散领域一直没有解决的难题。综合热力学、扩散动力学及晶体结构信息,引入平均热力学因子,发现了一种描述线性化合物扩散生长的新方法。还建立了一种构筑多元相扩散系数的科学方法。建立的方法被Int. J. Mater. Res.论文审稿人评价为未来研究工作的样板。研究结果还被美国国家标准与技术研究院选为国际标准。

         我校的典型应用“高性能材料多尺度设计及其应用研究”得到与会专家的一致好评,特别是相图热力学方向研究工作具有开创性和广泛的国际影响,杜勇教授科研团队建立的Al合金热力学数据库包含435个平衡相和35个亚稳相,国际上现有Al合金热力学数据库仅有51个平衡相,无亚稳相,自2011年6月以来,已有 26家国内外用户使用该数据库,包括美国国家标准技术研究所,德国Hydro Aluminium公司和上海交通大学等,目前的工作已经扩展到了34组元。其中相图热力学数据库被世界领先的热力学及动力学计算软件研发中心瑞典皇家工学院和Thermo-Calc公司认可,经瑞典皇家工学院和Thermo-Calc公司专家检验,本工作开发的多元Al合金热力学数据库是国际上非常少有的高质量数据库。Thermo-Calc公司己购买此数据库的版权,以便在世界范围内推广。

         我校自签订项目合同起,紧锣密鼓地开展合同中约定的各项工作,在今年3月的中期检查之前,项目已经完成硬件部署、软件安装、学科数据库建设、电子资源共享以及典型应用展示等主要工作内容。在接下来的近6个月中,我校信息与网络中心高性能计算部门将系统投入试运行并联合中南大学粉末冶金国家重点实验室杜勇教授科研团队进一步完善典型应用建设与展示,同时配合华中科技大学完成CGSP的部署。截至今年9月中旬,我校已经全部完成合同所约定的各项工作。

         此次会议中,华南理工大学、北京科技大学、东北大学、北京化工大学和上海大学的代表分别就各自承担的ChinaGrid二期建设任务完成情况进行汇报和交流,对预验收存在的一些问题进行了讨论,就材料学重点学科资源云的总体验收事宜进行了安排和布置,讨论了未来的发展规划。 

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