我的材料观

在亲朋聚会,与人闲谈时,总会有人问我,什么是材料。其实这个问题从我一开始涉足材料领域至今仍一直困扰着我。给材料一个清晰又明确定义,着实不易。当人们听到“物理”,便会联想到声光电热力,听到“化学”,便会联想到一个邪恶博士躲在一间小黑屋里捣腾着各种药水,当人们听到机械,一个机器人便会在脑海中翩翩起舞......当人们听到材料,第一反应便是“what”。究竟是什么让材料显得如此神秘。

自从我踏入大学的第一天起,便有许多老师和学长给出了许多关于材料的定义,似乎每一个从事材料领域的人对材料都有着不同的见解,其中最经典的一个定义便是“材料是用于制造一切有用物品的可用之物”。从数千年起,便有许多人试图给“人”作一个定义,有的甚至想给宇宙一个定义,时至今日,仍然未能达成共识。要给材料一个明确的定义恐怕会限制了对材料的认识,材料源于自然,源于宇宙,但目前人类对宇宙自然的认识仍然停留在较低的水平。那么材料对人类来说也是神秘的。如果必须要给材料一个定义,那么姑且先按那个最经典的定义作为参考吧。

当朋友问我,材料学子将来会从事怎样的工作时,为了活跃气氛,我一般都会戏称自己是打铁的、造瓶子的、刷油漆的。确实,打铁的过程涉及铁的锻压、热处理及化学热处理、造瓶子涉及材料成型、刷油漆涉及了材料的表面处理,这些都是与材料科学息息相关的。

2.材料为何特殊

一个新兴学科的兴起总会存在这样那样的问题,作为一个材料学子,虽然已是大三,但对科学和工程的概念仍然模糊。材料涉及到物质,则必然与物理化学等自然学科有着重要的联系。物理研究的是宇宙的组成要素及其相互作用,是一门结合理论推导和实验证明的精确学科。而化学是在原子层次上研究原子的组成、性质、结构与变化规律的,主要侧重于实验证明与制备的科学。材料作为一门交叉学科,兼具了物理学对固有物质规律的研究和化学合成新物质的研究。如水的结冰,研究的是晶体的生长规律,这种关系通常是有规可循的。而改性实验则是加入一些物质元素使之在不同层次上形成一些有利于材料综合性能的组织组成,也就相当于化学的合成新物质。材料也更注重于实验研究,是一门实实在在的实验科学。此外,材料科学虽然在不同程度上受到各个学科的影响,但材料科学也保留了其自身的一些特性。之前我们就给过一个定义,材料是制造一切有用物品的可用之物。说明材料科学比物理化学等基础学科更注重实用性,材料的性能改善要明显,从研发到投入使用、制定好合适的工艺流程的周期要非常短。而且其工艺流程有时甚至比新材料研发更为重要。在学习材料课程的时候,有时也会学习一些机械课程,讲到材料的应用难免与机械挂钩;然而材料与机械是有着本质的区别的,一个机械构件,无论设计得多复杂,其外形最终还是可以仿制克隆的。而一个用材料工艺处理过的工件,如一个曲轴,其外形结构一目了然,内部组织及化学成分在经过一些处理后也能了解,其硬度、韧性等都可实验测得。但就是无法完整地仿制出来,形状一样,但性能相距甚远,这是因为在前面就说了,材料科学是一门实验性科学,一个高性能材料的组织形貌是经过一系列工艺流程而得到的,这个过程需要不断进行尝试和积累,其中还有一些巧合成分,但主要还是在于不断地实验研究。一个完整的工艺流程包含好多复杂的处理,一般是难以仿制的,这也成为许多企业的一笔宝贵财富。

3.材料三大支柱

对材料的改良涉及到许多微观的东西,研究材料最重要的三个方面便是原子晶体、相平衡与亚稳态、以及显微组织。晶体学是一门很宽泛的学科,具体的晶体结构有成千上万种,而其点阵空间最后可粗略地概括为那么十几种,而点阵空间反映的仅仅是其集合空间结构,其晶体的性能会因一个结构原子大小及位置的改变而发生很大的变化,因而要形成一套行之有效的理论来概括晶体学是不可靠的。如果说晶体结构的不可预测是因为其原子组合的多样性的话,那么相结构与性能的多样性则是由于不同的晶体结构及材料加工成型的过程中外界因素的改变而引起的。外界因素的调控落实到具体就是我们常说的工艺流程。一般来说,相的结构与性能最终会趋于一个稳定的状态,即相平衡。然而这样的过程是非常缓慢的,因而在实际生产制备的时候,得到的许多组织仍是是处于亚稳态的,而材料在失稳和失效的临界条件也是材料工程所关心的问题。相的显微结构依旧是不可见的,因而就要借助许多显微技术进行辅助研究。从事材料领域,与金相组织的接触自然是少不了的,因为依据金相组织来对材料性能进行判断是一种简单而又行之有效的方式。若是掌握熟练,一张经过适当处理的金相组织图片在不同放大倍数以及在不同部位的组织结构能反映出其工艺流程及特点。正是由于晶体结构的多样性和工艺流程对相平衡与亚稳态的影响,使得材料研究纷繁复杂,难以像化学物理那样得出简单又和谐统一的公式定理。

正是因为材料的多样性和复杂性及其需要大量实验论证的特点。计算机模拟在材料研究中的作用就显得越发重要了,计算机模拟可以解决实验重复、复杂、数据量大、处理困难等许多问题,极大地缩短了材料研究及选材的时间。并且随着计算机处理速度的不断提升,以及模拟方法的不断改进,模拟的结果将会越来越精确,而且计算机模拟还可以创造很多现实生活中无法创造的研究环境,依然有很大的发展空间。

  • 分享于 2017-08-29 01:47
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