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我們知道在寒冷冬天，水蒸氣會(huì)凝華成六角形的“樹枝晶”狀的雪花（如圖所示），非常漂亮。可是你是否知道，金屬在凝固時(shí)，同樣也會(huì)形成美麗的“結(jié)晶”組織 呢？

水的凝固結(jié)晶過程可以通過肉眼直接觀察，然而金屬的結(jié)晶過程是不可見的，我們?nèi)绾巫屍洹翱梢暬蹦?？目前有兩種方法：

1.通過高強(qiáng)X射線實(shí)時(shí)觀測(cè)。

2.通過計(jì)算機(jī)有限元模擬結(jié)晶？？？ 生長(zhǎng)過程。

？ ？ 下圖顯示了這兩種方法的動(dòng)畫，我們可以看到，類似于雪花，金屬凝固時(shí)形成的“樹枝晶”組織也是很beautiful的。

金屬的結(jié)晶包括形核和長(zhǎng)大過程。類似去醫(yī)院體檢時(shí)的“照X光”，我們也可以通過X射線實(shí)驗(yàn)直接“透視”金屬凝固時(shí)枝晶生長(zhǎng)的的整個(gè)過程（如下圖所示），但是一般X射線是無法觀測(cè)到結(jié)晶過程的，我們一般需要利用高強(qiáng)X射線（如同步輻射）工具才能“透視”成功。當(dāng)然光靠X射線的觀察無法得到金屬凝固過程時(shí)的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等信息，我們?nèi)绾尾拍艿玫礁嗑_的信息呢？


為了得到金屬凝固過程的整個(gè)信息。我們可以通過計(jì)算機(jī)劃分有限元網(wǎng)格（前處理過程），通過建立金屬凝固結(jié)晶過程的數(shù)學(xué)模型，利用有限元的方法求解數(shù)值方程（計(jì)算過程），并將求解方程得到的信息通過圖形處理程序（后處理過程)進(jìn)行“可視化”。下圖顯示的是計(jì)算機(jī)模擬的凝固等軸樹枝晶組織的形核和長(zhǎng)大過程。


海藻狀凝固組織
當(dāng)然建立合適的計(jì)算模型才是精確模擬凝固組織形成過程的關(guān)鍵。下圖中顯示了金屬凝固過程中“海藻狀”組織的形成過程的X射線實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬動(dòng)畫?？梢钥吹叫纬傻暮Ｔ鍫罱M織很漂亮，并且通過建立合適的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算機(jī)模擬完全可以再現(xiàn)這一過程。


高強(qiáng)X射線觀測(cè) ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？ ？？計(jì)算機(jī)模擬
計(jì)算模擬優(yōu)越性

我們可以看出計(jì)算模擬的優(yōu)越性，它不僅可以再現(xiàn)不可見的凝固結(jié)晶實(shí)驗(yàn)過程，使“不可視”過程變得“可視”，而且，還可以通過計(jì)算模擬得到實(shí)驗(yàn)所得不到的信息，并且通過改變計(jì)算參數(shù)，設(shè)置不同的凝固條件，代替實(shí)驗(yàn)過程，得到我們想要的凝固組織，甚至發(fā)現(xiàn)新組織，從而優(yōu)化材料性能。

下圖分別模擬了枝晶形核長(zhǎng)大動(dòng)畫，和構(gòu)造其三維旋轉(zhuǎn)動(dòng)畫圖，通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，我們可以“透視到”凝固組織的每一個(gè)美麗細(xì)節(jié)。

類似雪花晶體的形成過程，金屬凝固也會(huì)形成非常漂亮的凝固組織。我們可以通過高強(qiáng)X射線和計(jì)算機(jī)模擬的手段對(duì)該過程進(jìn)行觀測(cè)研究。計(jì)算機(jī)模擬的手段相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段有其不可比擬的優(yōu)越性。

？？？ 隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相信在不久的將來，我們能精確模擬更細(xì)節(jié)的凝固過程，得到更多的信息。人類甚至有可能模擬大腦運(yùn)動(dòng)、生命起源等不可思議的過程，讓我們努力學(xué)習(xí)，通過自己的智慧來見證這些奇跡的誕生吧！