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第32章 附录(1)

材料科学与工程中的几个基本规律

赵振业

材料科学与工程形成为一个学科已有50年的历史了。半个世纪来,材料研究取得了预想不到的进步,材料已成为制约多种科学发展的重要因素。当前,材料研究和发展中又出现了新问题和新现象,需要建立新的概念,进一步推进这一发展势头。这些新的概念就是我要说的材料科学与工程中的三个基本规律。所谓三个基本规律就是材料科学与工程“四要素”,它导致可靠材料;材料科学与工程两个“全过程”,它形成可用材料;材料体系,它形成生产力。

在论述材料科学与工程三个基本规律之前,先介绍有关材料科学与工程的几个基本概念。

首先要解释什么是材料科学与工程,它是怎样形成的?顾名思义,材料科学与工程是材料科学与工程技术的融合和跨学科集成,它大体形成于20世纪50~60年代,是由美国发起的。之所以要形成材料科学与工程这一学科,是因为当时材料科学理论与工程技术乃至材料产业的脱节,从事材料科学理论研究的人自命清高,严重制约了材料的发展。经过20多年的调研、试验、研究,推动了材料科学与工程技术的结合,最终形成了材料科学与工程这一学科。

我要说的第一个基本概念是:材料科学与工程属于应用科学范畴。大家知道,材料是人类文明史的重要标志。比如说,材料从石材、木材发展到铁材乃至今天的复合材料,材料是一个活跃而无止境的领域,材料的发展和使用推动着人类文明的进程,也推动着现代科学的不断发展。所谓应用科学是相对于理论科学而言的,它是基础科学与工程学的结合。因此它的目标在于形成有价值的形式。

第二个基本概念是:先进材料属于学科前沿。先进材料已从经验性和技术性研究转化到真正科学意义的研究,其试验和理论都达到了很高水平,以致先进材料具有“极限”性能特征,就是说达到了应用基础理论预测的性能水平。

第三个基本概念是:材料科学与工程推动了材料发展。材料科学与工程学科的形成是材料史上的一件大事,它结束了材料发展中的混沌状态,弥合了理论科学与技术产业的脱节,填补了理论科学与工程技术间的鸿沟,从而推动了材料的大发展。人们随时可以列出具有划时代的材料研究成果,比如当今的半导体材料、碳纤维增强复合材料、巨磁变材料、纳米材料、超导材料等。

第四个基本概念是:先进材料研究的目的全在于应用。先进材料研究常具有强烈的应用背景,明确的性能或功能指标,适宜于使用模式,因此是一个复杂的技术体系。

第五个基本概念是:我国先进材料的后进状态亟待改变。经过几十年的研究发展,我国的先进材料取得了长足的进步,不仅支持我国成为一个制造大国,而且支持了像航空、航天、航海、精密机械等高科技领域的发展。当前,先进材料呈现的薄弱环节是创新能力不足,工程化生产保障能力低下,构件、元器件性能水平低,制约了高端产品的制造和使用。幸运的是,先进材料遇到了前所未有的发展机遇,这些机遇来自高科技发展的需求,“极限”性能的需求,以及国民经济快速发展的需求。当前,先进材料发展面临着严峻的挑战,包括自主创新材料,材料产业化及其可持续发展。迎接这些挑战,材料工作者肩负着重要使命,就是用前所未有的材料支持前所未有的航空器、航天器、航海器及其他各种高科技装备和产品。在履行这一职责所采用的各种途径和手段中,我认为最重要的是尊重科学,遵守科学规律。

下面我就介绍关于材料科学与工程的三个基本规律。我建议想了解这些规律的同行和朋友们,结合自己承担的材料研究项目来了解,结合自己以往的经历和经验来了解,结合自己现有的认识和知识来了解,体会和辨别三个基本规律是不是真知,有没有指导作用,能不能推动材料发展。

第一个规律:材料科学与工程“四要素”。什么是“四要素”,“四要素”之间是个什么关系?所谓“四要素”,就是成分、组成与结构;合成与加工;性质;使用行为。这四个要素同等重要,没有哪一个要素比另外的要素更重要,四个要素是一个整体。讲“四要素”当然是因为过去不是“四要素”,而是三要素,甚至是二要素。就是说,在我们的材料研究中,即使是现在,只做了三要素,甚至只做了二要素。据我了解,多数是用二要素,就是成分与结构和性能。一个合金的成分设计出来了,通过一定处理得到设计的组织,就测它的性能,性能假如说有偏差或者说不适当,再来做成分调整,反复地这样做。当然也有三要素的,也有四要素的,但是应该说为数不多。由于三要素或者两个要素,给材料带来了很多的问题和弊病,所以才发展到了材料的“四要素”。美国在发展“四要素”的时候,强调了其中两个要素,一个要素就是“合成与加工”,另外一个要素就是“使用行为”,可见我们现在的材料研究与美国当时的状况大体是一样的。所以今天谈材料科学与工程“四要素”,对我国材料的发展至关重要,具有现实意义。“四要素”的基本内涵又是什么?第一个要素“成分、组成与结构”中,“成分”是对金属材料而言,“组成”是对非金属材料而言。第一个要素的主要内涵包括:从电子、原子到宏观尺度裁剪材料;结构的无限变化演绎出材料的复杂性能;成分与结构的表征、分析和建模技术等。举一个例子说,钢是铁与碳的合金,体心立方铁中因添了碳原子就是碳钢;碳钢中添加合金元素后就是合金钢,合金钢中铬元素添加重量达到12%就成为不锈钢,这就是成分设计的概念。一个钢还要做结构设计,基体结构是马氏体、贝氏体还是铁素体+珠光体混合。用马氏体结构可以获得高强度、超高强度,用贝氏体只可获得高强度或中强度,而铁素体+珠光体混合结构只能获得中强度或低强度。采用复合组织结构设计还可以获得不同性质的材料或复合材料。从过去的“试凑法”“优选法”到现在的“计算合金”都属于第一要素的内容。第二个要素是“合成与加工”。“合成”是对非金属材料而言,加工多指金属材料。金属材料中常称“制备与加工”。“合成与加工”的基本内涵包括:所有尺度上,原子、分子和分子团对结构的控制;新的结构转化为材料和结构的一些演化过程;宏观操作所引发的微观结构的变化和意外的现象等。制备与加工对材料的控制作用是极为显著的,比方说高纯熔炼。高纯熔炼对于金属材料是非常重要的,当然纯度对于非金属材料也是非常重要的。提高材料的纯洁度是发展材料的一个非常重要的措施,对于高强度、超高强度的铝合金、钛合金、超高强度钢、高温合金,纯洁度几乎成了非常非常重要的一个韧化机制,没有高纯洁度,要做到强度和韧性的匹配是非常非常困难的。前边提到“合成与加工”引起结构的变化可能会产生意外的现象,什么样的意外现象?这里举锻轧给钢带来的“意外”现象。将钢加热到动态再结晶温度(TRC)以上,锻轧变形后冷下来成材,这就是普通钢锻轧工艺方法。在钢里边添加10-1到10-3微量难熔元素,通过在TRC以上高温下控制轧制,控制晶粒度,然后冷下来成材,这就变成了所谓的微合金钢。微合金是20世纪70年代到80年代世界上非常风行的一种钢的改造,一直到现在,汽车上大量用的钢都是这类钢。把钢加热到TRC以上,冷至A1点附近做控制轧制,获得超细晶粒,使钢强度翻番,这就是所说的超级钢。超级钢是从日本和韩国首先发起的,我们国家现在做的这种钢,已经在汽车上试用。20世纪70年代利用变形诱发马氏体相变使钢从高强度发展到超高强度,它是把钢在A1以下做中温控制轧制,获得没有完全再结晶的组织,把钢的强度大幅度提高上去。这就是有名的TRIP钢。采用高温控轧,A1点附近控轧,中温控制冷却下来相变,甚至冰冷处理,然后回火,冷轧,即所谓的特种热机械处理(STMT),把钢的抗拉强度提高到了4200兆帕以上,是现在世界上强度最高的钢。可以看出,用锻轧的方法产生的“意外”现象,对钢的发展具有突出重要的作用。可是,材料研究中却没有给予足够的重视。

第三个要素是性质。这个要素的主要技术内涵包括材料对外界刺激的整体响应、各种尺度上的性能的测试和分析、导向所需综合性能的设计等。材料性质至少包括以下几类:

第一类叫做“基本性能”。基本性能是指各种材料有别于其他材料的特定性能,包括力学性能、物理性能、化学性能等。对一个材料来讲,只研究基本性能是远远不够的,还必须做“全面性能”的评价。第二类“全面性能”包括了高低温性能,动态性能,还有其他的特殊性能,等等。做这些干什么?一个材料具备了特定的“基本性能”,并不能够证明这个材料可以做构件,它可能在其他方面存在很大的问题,甚至是致命的。如果全面性能评价下来这个材料各种性能都是相匹配的,才能说这个材料的基本性能是好用的。第三类是“工艺性能”。“工艺性能”是评价材料能不能变成产品的能力。如果需要做成复杂形状的构件,“工艺性能”就起了决定性的作用。比方说我们研究铸造合金,如果这个合金的流动性不好,就很难做出铸件,这个材料就不是一个好的材料。我们可以设身处地看一下,已经在用的材料,有多少材料只做了基本性能,有几个材料是做了全面性能的,有哪几个材料是基本性能、全面性能和工艺性能都做了的,翻开我们的各种材料手册看看,屈指可数。我最近看到有个材料只做了几个基本性能,疲劳性能都没有做什么研究,就用作飞机构件了。结果在试验过程中恰恰就都出现了疲劳裂纹,怎么办呢?第四个要素是“使用行为”。主要内涵包括材料固有性能与构件功能相结合,使用中材料固有性质的变化、预测和改善;环境中固有性能变化和预测;与构件基本性质相关联的一些模型等。也就是说在研究材料的时候,无论如何要关注所研究的材料是做什么用的,仅仅是从材料研究、从学科上的研究是不够的。这就是基本概念中所说的,先进材料常具有非常强烈的应用对象和目标,所以无论如何要特别关注材料的使用行为,考察它的服役性能:腐蚀性能怎么样,疲劳行为怎么样,失效行为会怎么样,还有它在复合环境里的行为又会怎么样。也就是说要适应未来构件的使用环境,达到使用的要求。

“合成与加工”或“制备与加工”这个要素常被忽视,甚至被认为是材料科学与工程中的非主流技术,给材料研究发展带来严重制约。因此,“四要素”重点强调的是这一要素。材料的“使用行为”是材料好坏的判据,也是材料研究发展的终极目的。在材料研究中也常被忽视,因此“四要素”规律中又特别强调了这一要素。“四要素”反映在材料的研制过程里,它整体化了材料科学与工程。“四要素”是不可分割的整体,四个要素又要各自高水平地发展。“四要素”确定了材料是跨学科的技术集成,而且是各学科里材料科学家、工程师以及技术工人,各类技术的综合。只有把各个学科、各类技术都做到一体化,才能变成一个可靠的材料。“四要素”确定了材料科学家的责任,就是一定要按照“四要素”的基本规律去研究发展材料,不管是研究新材料,还是改进、改型现有的材料。

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