材料四要素及其相互關(guān)系

1、材料科學四要素的內(nèi)涵和關(guān)系眾所周知，材料科學與工程是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、材料性能與 使用性能以及他們之間關(guān)系的學科。因而把組成與結(jié)構(gòu)、合成與生產(chǎn)過程、 性質(zhì)以及使用效能稱之為材料科學與 工程的四個基本要素。把四個要素聯(lián) 結(jié)在一起便構(gòu)成了一個四面體，如圖1。1性質(zhì)性質(zhì)是材料功能特性和效用的定 量度量和描述。性質(zhì)作為材料科學與 工程四個基本要素之一，是理所當然的，既然材料是人們用于制造有用物品、 器 件和各種構(gòu)件和產(chǎn)品的物質(zhì)，它必然具有其特定的性能材料例學與工程屬材料具有剛 性和硬度，可以用做各種結(jié)構(gòu)件；它具有延展性，可以加工成受力或?qū)щ姷木€材;一些特種合金，如不銹鋼、形狀記憶合金、超導

2、合金等，可以用作耐腐蝕材料、 智能材料和超導材料等。陶瓷具有很高的熔點、高的強度和化學惰性，可用作高 溫發(fā)動機和金屬切削刀具等；而具有壓電、介電、電導、半導體、磁學、機械特 性的特種陶瓷，在相應領(lǐng)域發(fā)揮應用；但陶瓷的脆性則限制了他的應用。禾用金 剛石的耀度和透明性，可制成光燦奪目的寶石和高性能光學涂層； 而利用其硬度 和導熱性，可作切削和傳導材料。高分子材料以其各種獨特的性能使其在各種不 同的領(lǐng)域廣泛應用，各類汽車材料、建筑材料、航空材料、電子電器材料等；反 之，高分子材料組分的遷移特征，加速了其性能的退化，也對環(huán)境造成傷害；而 其耐熱性、耐候性較差，有限制了其在需要耐熱和耐候領(lǐng)域的應用。 材

3、料的性質(zhì) 也表示了其對外界刺激的整體響應， 材料的導電性、導熱性、光學性能、磁化率、 超導轉(zhuǎn)變溫度、力學性能等都是材料在相應外場作用下的響應，正是這種響應創(chuàng) 造了許多性能特殊的材料。任何狀態(tài)下的材料，其性能都是經(jīng)合成或加工后材料結(jié)構(gòu)和成分所產(chǎn)生的結(jié) 果。弄清性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系， 可以合成處性質(zhì)更好的材料， 并按所需綜合性質(zhì)設(shè) 計材料。而且最終將影響到材料的使用性能。2 結(jié)構(gòu)成分材料化學組成 / 成分對其性能有著重要的影響。由于分析化學的發(fā)展和分析 儀器的進步， 人們對化學成分影像材料性能的重要性認識越來越深刻。 例如鐵碳 合金，其性能與含碳量緊密相關(guān)。 如果不含碳， 就是純鐵。延展性好，但強度低

4、， 當含碳量不超過 %時，我們稱之為剛，鋼中含碳量的增加，鋼的強度、硬度直線上升，但塑性、韌性急劇下降，工藝性能也變得很差；含碳量超過 %后，工業(yè)上稱之為鑄鐵，鑄鐵隨人強度較低，但有很好的切削、消震性能，加上生產(chǎn)簡便， 成本低廉，因此得到了廣泛應用。同樣，結(jié)構(gòu)也是導致材料性能差異的重要因素。 金剛石和石墨都是由碳元素 構(gòu)成的，然而兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同， 也就是碳原子的排列方式不同， 造成了彼此性 能上很大的差異。金剛石是自然界中最硬的物質(zhì)，絕緣，透明，折射光的能力很 強。石墨與金剛石正好相反， 它是自然界中最軟的物質(zhì)之一， 用指甲就能在它上 面劃線，顏色深灰，導電，不透明，被用作鉛筆芯，電極和電刷

5、。每個材料都含有一個以原子和電子尺度到宏觀尺度的結(jié)構(gòu)體系， 對于大多數(shù) 材料來說， 所有這些結(jié)構(gòu)尺度上化學成分和分布式立體化的， 這是制造該種特定 材料所采用的合成加工的結(jié)果。 因此，只有理解和控制材料的結(jié)構(gòu)， 才能得到人 們所追求的材料性能。3 合成和加工合成與加工是指建立原子、 分子和分子聚集體的新排列， 在原子尺度到宏觀 尺度的所有尺度上對結(jié)構(gòu)進行控制以及高效而有競爭力地制造材料和零件的演 變過程。合成常常是指原子和分子組合在一起制造新材料所采用的物理和化學方 法。合成是在固體中發(fā)現(xiàn)新的化學現(xiàn)象和物理現(xiàn)象的主要源泉， 合成還是新技術(shù) 開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)改進中的關(guān)鍵性要素。 合成的作用包括合成

6、新材料、 用新技術(shù)合還包括在成已知的材料或?qū)⒁阎牟牧虾铣蔀樾碌男问健?將已知材料按特殊的要求來合成 三個方面。而加工除了上述為生產(chǎn)出有用的材料對原子和分子控制外， 較大尺度上的改變，有時也包括材料制造等工程方面的問題。合成和加工不僅賦予材料一定的尺寸形狀， 而且是控制材料成分和結(jié)構(gòu)的必 要手段。鋼材可以通過退火、 淬火、回火等熱處理來改變他們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而達到 預期的性能，冷軋硅鋼片經(jīng)過復雜的加工工序能是晶粒按一定的去向排列而大大 減少鐵損。 飛機發(fā)動機的葉片可以通過鑄造時的凝固控制做成單晶體葉片， 使之 沒有晶粒邊界， 大大提高了他的使用溫度和性能。 總的來說， 材料的合成和加工 是獲得高質(zhì)

7、量和低成本產(chǎn)品的關(guān)鍵， 把各種材料加工成整體材料、 元器件、 結(jié)構(gòu) 或系統(tǒng)的方法都將關(guān)系到工作的成敗， 材料加工能力對于把新材料變成有用制品 都是十分重要的。4 使用性能使用性能通常是指材料在最終的使用過程中的行為和表現(xiàn)。 是材料的固有性 質(zhì)與產(chǎn)品設(shè)計、 工程能力和人類需要相融合在一起的一個要素， 必須以使用性能 為基礎(chǔ)進行設(shè)計才能得到最佳的方案。 因此， 往往將材料的合成與加工、 材料的 性質(zhì)看作是元器件或設(shè)備設(shè)計過程中不可少的一部分。 由于材料在使用中所處的 條件和使用環(huán)境是復雜的， 因此材料在使用過程中的表現(xiàn)和行為才是對材料最有 效地考驗， 也是衡量材料使用價值的依據(jù)。 材料在使用環(huán)境下

8、的表現(xiàn)和評價有時 會對材料科學與工程產(chǎn)生非常大的知識性貢獻。如斷裂韌性、韌 / 脆轉(zhuǎn)變溫度、 輻照脆化等都是材料在使用過程中出現(xiàn)問題后給人們一種知識性反饋和科學總 結(jié)。只要材料是為某種目的在某種特殊條件下使用，這個要素將永遠發(fā)展下去。使用效能取決于材料基本性能。 因此，建立使用效能與材料基本性能相關(guān)聯(lián)的模 型，了解失效模式，發(fā)展合理的仿真程序，開展可靠性、耐用性、預測壽命的研 究，以最低代價延長使用期，對新材料研制、設(shè)計和工藝是至關(guān)重要的?？傊鲜鏊膫€要素是基本的， 缺一不可的， 對材料科學與工程的發(fā)展來說， 這四個要素必須是整體的。材料的四要素反映了材料科學與工程研究的共性問題，其中合成和加工、使用性能是兩個