材料四要素及其相互关系.doc

材料科学四要素的内涵和关系众所周知，材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用性能以及他们之间关系的学科。因而把组成与结构、合成与生产过程、性质以及使用效能称之为材料科学与工程的四个基本要素。把四个要素联结在一起便构成了一个四面体，如图1。1性质 图1 材料科学与工程的四要素性质是材料功能特性和效用的定量度量和描述。性质作为材料科学与工程四个基本要素之一，是理所当然的，既然材料是人们用于制造有用物品、器件和各种构件和产品的物质，它必然具有其特定的性能。例如，金属材料具有刚性和硬度，可以用做各种结构件；它具有延展性，可以加工成受力或导电的线材；一些特种合金，如不锈钢、形状记忆合金、超导合金等，可以用作耐腐蚀材料、智能材料和超导材料等。陶瓷具有很高的熔点、高的强度和化学惰性，可用作高温发动机和金属切削刀具等；而具有压电、介电、电导、半导体、磁学、机械特性的特种陶瓷，在相应领域发挥应用；但陶瓷的脆性则限制了他的应用。利用金刚石的耀度和透明性，可制成光灿夺目的宝石和高性能光学涂层；而利用其硬度和导热性，可作切削和传导材料。高分子材料以其各种独特的性能使其在各种不同的领域广泛应用，各类汽车材料、建筑材料、航空材料、电子电器材料等；反之，高分子材料组分的迁移特征，加速了其性能的退化，也对环境造成伤害；而其耐热性、耐候性较差，有限制了其在需要耐热和耐候领域的应用。材料的性质也表示了其对外界刺激的整体响应，材料的导电性、导热性、光学性能、磁化率、超导转变温度、力学性能等都是材料在相应外场作用下的响应，正是这种响应创造了许多性能特殊的材料。任何状态下的材料，其性能都是经合成或加工后材料结构和成分所产生的结果。弄清性质和结构的关系，可以合成处性质更好的材料，并按所需综合性质设计材料。而且最终将影响到材料的使用性能。2结构成分 材料化学组成/成分对其性能有着重要的影响。由于分析化学的发展和分析仪器的进步，人们对化学成分影像材料性能的重要性认识越来越深刻。例如铁碳合金，其性能与含碳量紧密相关。如果不含碳，就是纯铁。延展性好，但强度低，当含碳量不超过2.11%时，我们称之为刚，钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度直线上升，但塑性、韧性急剧下降，工艺性能也变得很差；含碳量超过2.11%后，工业上称之为铸铁，铸铁随人强度较低，但有很好的切削、消震性能，加上生产简便，成本低廉，因此得到了广泛应用。同样，结构也是导致材料性能差异的重要因素。金刚石和石墨都是由碳元素构成的，然而两者内部结构不同，也就是碳原子的排列方式不同，造成了彼此性能上很大的差异。金刚石是自然界中最硬的物质，绝缘，透明，折射光的能力很强。石墨与金刚石正好相反，它是自然界中最软的物质之一，用指甲就能在它上面划线，颜色深灰，导电，不透明，被用作铅笔芯，电极和电刷。每个材料都含有一个以原子和电子尺度到宏观尺度的结构体系，对于大多数材料来说，所有这些结构尺度上化学成分和分布式立体化的，这是制造该种特定材料所采用的合成加工的结果。因此，只有理解和控制材料的结构，才能得到人们所追求的材料性能。3 合成和加工 合成与加工是指建立原子、分子和分子聚集体的新排列，在原子尺度到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程。合成常常是指原子和分子组合在一起制造新材料所采用的物理和化学方法。合成是在固体中发现新的化学现象和物理现象的主要源泉，合成还是新技术开发和现有技术改进中的关键性要素。合成的作用包括合成新材料、用新技术合成已知的材料或将已知的材料合成为新的形式、将已知材料按特殊的要求来合成三个方面。而加工除了上述为生产出有用的材料对原子和分子控制外，还包括在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程方面的问题。合成和加工不仅赋予材料一定的尺寸形状，而且是控制材料成分和结构的必要手段。钢材可以通过退火、淬火、回火等热处理来改变他们的内部结构而达到预期的性能，冷轧硅钢片经过复杂的加工工序能是晶粒按一定的去向排列而大大减少铁损。飞机发动机的叶片可以通过铸造时的凝固控制做成单晶体叶片，使之没有晶粒边界，大大提高了他的使用温度和性能。总的来说，材料的合成和加工是获得高质量和低成本产品的关键，把各种材料加工成整体材料、元器件、结构或系统的方法都将关系到工作的成败，材料加工能力对于把新材料变成有用制品都是十分重要的。4 使用性能使用性能通常是指材料在最终的使用过程中的行为和表现。是材料的固有性质与产品设计、工程能力和人类需要相融合在一起的一个要素，必须以使用性能为基础进行设计才能得到最佳的方案。因此，往往将材料的合成与加工、材料的性质看作是元器件或设备设计过程中不可少的一部分。由于材料在使用中所处的条件和使用环境是复杂的，因此材料在使用过程中的表现和行为才是对材料最有效地考验，也是衡量材料使用价值的依据。材料在使用环境下的表现和评价有时会对材料科学与工程产生非常大的知识性贡献。如断裂韧性、韧/脆转变温度、辐照脆化等都是材料在使用过程中出现问题后给人们一种知识性反馈和科学总结。只要材料是为某种目的在某种特殊条件下使用，这个要素将永远发展下去。使用效能取决于材料基本性能。因此，建立使用效能与材料基本性能相关联的模型，了解失效模式，发展合理的仿真程序，开展可靠性、耐用性、预测寿命的研究，以最低代价延长使用期，对新材料研制、设计和工艺是至关重要的。总之，上述四个要素是基本的，缺一不可的，对材料科学与工程的发展来说，这四个要素必须是整体的。材料的四要素反映了材料科学与工程研究的共性问题，其中合成和加工、使用性能是两个普遍的关键要素，这是在这四个要素上，各种材料相互借鉴、相互补充、相互渗透。抓住了这四个要素，就抓住了材料科学与工程研究的本质。而各种材料，其特征所在，反映了该种材料与众不同的个性。如果我们这样去认识，则许多长期困扰科技工作者的问题都将迎刃而解。