高等金屬學在材料研究領(lǐng)域中的地位和作用

摘要: 金屬學以金屬和合金的化學成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能間的關(guān)系作為研究對象，而以這些關(guān)系作為依據(jù)，可以為金屬材料設計適當?shù)幕瘜W成分和適宜的加工工藝，從而獲得預期的組織、結(jié)構(gòu)和性能。

關(guān)鍵詞: 高等金屬學材料研究領(lǐng)域作用

在人類社會的發(fā)展過程中，材料的發(fā)展水平始終是時代進步和社會文明的標志。人類和材料的關(guān)系不僅廣泛密切，而且非常重要。事實上，人類文明的發(fā)展史，就是一部人類利用材料和創(chuàng)造材料的歷史。同時，材料的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，也極大地推動了社會經(jīng)濟的發(fā)展。在當代，材料、能源、信息是構(gòu)成社會文明和國民經(jīng)濟的三大支柱，其中材料更是科學技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導。

一

隨著社會和科技的進步，人們不僅需要性能更為優(yōu)異的各類高強、高韌、耐熱、耐磨、耐腐蝕的新材料，而且需要各種具有光、電、磁、聲、熱等特殊性能和偶合效應的新材料，同時對材料與環(huán)境的協(xié)調(diào)性等方面的要求也日益提高。生物材料、信息材料、能源材料、智能材料和生態(tài)環(huán)境材料等將成為材料研究的重要領(lǐng)域。展望未來，材料科學與工程學科的發(fā)展方向?qū)⑹?實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)不同層次上的材料設計，以及在此基礎(chǔ)上的新材料開發(fā);材料的復合化、低維化、智能化和結(jié)構(gòu)材料—功能材料一體化設計與制備技術(shù);材料加工過程的自動化、集成化，等等。

20世紀最重大的科技成就之一就是人類實現(xiàn)了原子核內(nèi)部巨大能量的釋放。盡管原子能時代的降臨是以核武器為開端的，但核材料也能造福人類，特別是核反應堆、同位素的應用、核醫(yī)學等。核反應堆一般采用熱中子堆，堆心的結(jié)構(gòu)件必須采用鋯合金，因為鋯合金吸收中子的幾率很小，不會破壞堆內(nèi)的鏈式反應，所以要建設核電工業(yè)系統(tǒng)，必須建立鋯材料工業(yè)。

當今最具時代特征的工業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)，信息產(chǎn)業(yè)的基石是半導體材料。任何高度復雜、高度精細加工的集成電路，都需要高純度、高度摻雜的半導體材料和各種先進工藝的應用。信息技術(shù)的每一次突破都與材料和工藝的創(chuàng)新有著密切的關(guān)系，如高密度的光磁記錄材料給信息的存儲提供了極大的便利。

激光材料也是現(xiàn)代信息科技的一部分。各種波長的激光晶體、半導體激光器、激光光導纖維等對信息傳輸和信息高速公路的實現(xiàn)起著決定性的作用。

在航空航天技術(shù)的發(fā)展過程中，材料的發(fā)展水平對航空航天器的性能至關(guān)重要。航空用結(jié)構(gòu)材料最主要的性能是高比強度和高比剛度，同時具有良好的工藝性能。高強度鋁合金、鈦合金和碳纖維增強的樹脂基復合材料是主要的航空材料?；鸺?、導彈材料與航空材料相比，關(guān)鍵是瞬時性能。導彈殼體材料對導彈的射程至關(guān)重要，殼體由金屬改為石墨纖維增強的復合材料后，洲際彈道導彈的射程可增加近1000公里。

進入21世紀后，新能源材料的發(fā)展將對社會經(jīng)濟產(chǎn)生重要影響。為了保障世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，解決越來越嚴重的溫室效應和大氣污染等環(huán)境問題，新能源材料將引導傳統(tǒng)能源向潔凈能源、可再生能源、分散型能源等多元化能源發(fā)展。除核能外，當今太陽能材料、燃料電池材料、鋰離子電池材料等取得了很大的研究進展，在不久的將來必然會對社會經(jīng)濟等方面產(chǎn)生巨大影響。

二

一般來說，材料的基礎(chǔ)研究和帶有明確目的的開發(fā)性研究都有它們自身的價值。它們的效用有長有短，在實際生產(chǎn)上的體現(xiàn)有快有慢，但有一點是相同的，那就是要不斷探索。材料的應用研究一旦成功，即一種材料誕生之后，它的應用價值和市場開發(fā)就可以產(chǎn)生較大的輻射作用。比如金屬鈦，作為一種航空材料，它可用于飛機，也可用于化工、建筑、潛艇、首飾等。其應用越廣，需求量越大，則生產(chǎn)成本越低，越能帶動相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。20世紀后期，由于材料的應用越來越廣泛，并滲透到各行業(yè)，許多領(lǐng)域都與材料的制備、性質(zhì)、應用等密切相關(guān)，使得材料成為機械、電子、化工、建筑、能源、生物、冶金、交通運輸、信息科技等行業(yè)的基礎(chǔ)，并與這些相關(guān)學科交叉發(fā)展。

三

自20世紀60年代初以來，物理、化學等學科的發(fā)展推動了對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性和材料本質(zhì)的研究和了解;冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等的發(fā)展推動了對材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能及其相互關(guān)系的研究;金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等各類材料具有共同的或相似學科基礎(chǔ)、學科內(nèi)涵、研究方法與研究設備;同時科學技術(shù)的發(fā)展在客觀上需要對各類材料的全面了解和研究。

現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的特點是，一方面，學科呈現(xiàn)出多科性，新興學科不斷涌現(xiàn)，另一方面，學科發(fā)展又呈現(xiàn)出高度綜合的趨勢，交叉學科和邊緣學科層出不窮。學科交叉的形式可以多種多樣。如美國的著名大學一般都設有材料研究中心或材料研究實驗室，其研究人員往往橫跨高分子、金屬、陶瓷、表面改性、解剖、動物實驗、細胞培養(yǎng)等研究方面。金屬材料的性能主要取決于它的化學成分和組織、結(jié)構(gòu)。化學成分不同的金屬材料具有不同的性能;而相同成分的金屬材料經(jīng)過不同加工處理，具有不同的組織、結(jié)構(gòu)時，也將具有不同的性能?？梢哉J為:化學成分規(guī)定了組織、結(jié)構(gòu)的可能變化范圍，而加工工藝是獲得某種預期組織、結(jié)構(gòu)的手段。

四

金屬學是以金屬和合金的化學成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能間的關(guān)系作為研究對象的，以這些關(guān)系作為依據(jù)，我們可以為金屬材料設計適當?shù)幕瘜W成分和適宜的加工工藝，從而獲得預期的組織、結(jié)構(gòu)和性能。

在金屬學中，對組織、結(jié)構(gòu)的分析和研究是十分重要的核心問題。

金屬和合金在固態(tài)下通常是晶體。要了解金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，我們首先必須了解晶體中原子的相互作用和結(jié)合方式，晶體中原子的聚集狀態(tài)和分布規(guī)律，以及各種晶體的特點和彼此之間的差異，等等。這些研究涉及分子生物、固體物理、金屬學、礦物學及聚合物等廣泛領(lǐng)域。我們對晶體結(jié)構(gòu)和晶體生長進行綜合研究，可以獲得控制組分和實際結(jié)構(gòu)的知識，從而可以用各種手段來控制晶態(tài)材質(zhì)的性質(zhì)，據(jù)此還能探索具有非常寶貴性質(zhì)的新晶體。事實上，對晶體的綜合研究已經(jīng)使人們制成了并且正在發(fā)展著一大批結(jié)構(gòu)材料及功能材料。

金屬學以金屬電子論、晶體學(見晶體結(jié)構(gòu))及合金熱力學為理論基礎(chǔ)，依靠物理、化學的微觀和宏觀檢測技術(shù)，擴展了金相學的內(nèi)容，保持應用科學的傳統(tǒng)，其研究內(nèi)容可分為兩方面:①聯(lián)系成分、處理過程對金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究合金相結(jié)構(gòu)和組織的形成規(guī)律，包括:研究合金相的形成、相圖原理及其測定、合金元素及微量元素在合金相中的分布等合金組成的規(guī)律;研究晶體中原子的擴散過程;晶體重構(gòu)的相變過程，包括金屬的凝固與溫度壓力變化下的固態(tài)相變;研究晶體缺陷和金屬形變過程中的位錯運動;研究成分及雜質(zhì)對金屬性質(zhì)的影響，包括超微量元素，以及微觀和宏觀偏析。②聯(lián)系金屬材料的使用，研究材料結(jié)構(gòu)強度和斷裂行為(見形變和斷裂);研究金屬材料在各種不同使用條件下的特性變化等(范性形變，疲勞，蠕變，應力腐蝕，斷裂和氫脆);研究金屬的強化原理。至于那些雖以金屬為對象，或雖與金屬有關(guān)，但主要研究晶體缺陷和金屬電子結(jié)構(gòu)，以及它們之間，或它們與各種射線之間的交互作用等微觀過程;研究金屬和合金的物性本質(zhì)，或純屬探索自然規(guī)律的領(lǐng)域，則另列入金屬物理，屬凝聚態(tài)或固體物理的分支。

最近20年來，金屬學出現(xiàn)不少新的突破，主要是由于新實驗技術(shù)和新工藝的出現(xiàn)而取得的。例如，應用電子計算機進行圖象處理，可以明顯地提高電子顯微鏡的分辨能力，能直接看到金屬中單個原子分布的圖象(電子顯微學);分析電子顯微術(shù)和各種表面分析設備不斷出現(xiàn)，將金屬學的發(fā)展引向更加深入。又如應用激冷技術(shù)制成的快冷微晶合金和某些合金體系形成的非晶態(tài)金屬，都各自顯示出特有的性能，有很大的理論意義和實用價值，為金屬學開拓了新園地，也為材料的研究提供了更便捷的手段。

五

高等金屬學在我們現(xiàn)在所研究的“鋁鋅合金的耐腐蝕性”課題中也發(fā)揮著重要的作用。要研究鋁鋅合金的耐蝕性，我們首先必須了解材料的組織和性能，聯(lián)系成分、處理過程對合金組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究合金相結(jié)構(gòu)和組織的形成規(guī)律，包括:研究合金相的形成、相圖原理及其測定、合金元素及微量元素在合金相中的分布等合金組成的規(guī)律，從而分析它在各種不同使用條件下的特性變化，也即包括材料在不同環(huán)境介質(zhì)中的耐腐蝕性。這些都是高等金屬學要研究的內(nèi)容。隨著材料的不斷發(fā)展，高等金屬學在材料研究領(lǐng)域中必將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻:

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