材料科学与工程的科学内涵

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1、材料科学与工程的科学涵材料 0903 200922082 侯雪原材料科学与工程简称 MSE是Materials Scienee And Technology的缩写，属于国家一级学科。提纲 :1、社会经济的发展与材料科学与工程学科演变之间的关系2、材料科学与材料工程学科是伴随着社会发展对材料研究的需要而形成和发展 的。3、材料科学与工程科学涵一 , 社会经济的发展与材料科学与工程学科演变之间的关系在人类社会的发展过程中， 材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的标 志。人类和材料的关系不仅广泛密切，而且非常重要。事实上，人类文明的发展 史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史。 同时， 材

2、料的不断创新和 发展，也极大地推动了社会经济的发展。在当代，材料、能源、信息是构成社会 文明和国民经济的三大支柱，其中材料更是科学技术发展的物质基础和技术先 导。以下从三个方面来分析社会经济发展与材料科学与工程学科发展之间的密切 关系。1. 社会经济的发展对材料学科的发展始终发挥着巨大的推动作用 材料是人类社会进步的象征，也是社会经济发展的结果。 传统材料不仅为现代社会大量使用， 同时在高新技术的推动和社会经济发展 的要求下，其性能不断提高，满足了不同层次的社会需求。近代的两次工业革命， 给社会创造出巨大的财富， 促进了社会经济的巨大发 展。随着石油天然气的广泛应用，促进了高分子材料产品的石化

3、工业迅速发展， 于 20 世纪 30 年代形成了高分子学科， 高分子材料发展至今， 已经渗透到人类社 会生活的方方面面。进入 21 世纪以后，新时期国民经济可持续发展对高分子材 料的发展提出了更高的要求。 在材料科学与工程学科领域中， 高分子学科与金属 材料学科、无机非金属学科并列成为材料学科的重要分支。传统材料不仅为现代社会大量使用， 同时在高新技术的推动和社会经济发展 的要求下，其性能不断提高，满足了不同层次的社会需求。 近代的两次工业革命，给社会创造出巨大的财富，促进了社会经济的巨大发展。 随着石油天然气的广泛应用，促进了高分子材料产品的石化工业迅速发展，于 20 世纪 30年代形成了高

4、分子学科，高分子材料发展至今，已经渗透到人类社会 生活的方方面面。进入 21 世纪以后，新时期国民经济可持续发展对高分子材料 的发展提出了更高的要求。 在材料科学与工程学科领域中， 高分子学科与金属材 料学科、无机非金属学科并列成为材料学科的重要分支。当今社会正处于信息时代。这场始于 20 世纪中叶的信息革命，是人类科学 技术上的一次重大飞跃， 它对人类社会产生了深远影响， 信息时代的快速发展和 信息产业的巨大增长，给材料学科带来了史无前例的推动和促进作用。 总之，自从有了人类社会的历史以来， 社会经济的发展对材料学科的发展始终发 挥着巨大的推动作用。2. 材料科学与工程学科的发展对社会进步产

5、生的巨大影响 材料科学与工程学科有着丰富的涵，不仅包括金属、陶瓷等传统的结构材料，而且包含了具有众多特殊性能和用途的功能材料。 材料科学与工程的学 科涵和人才培养与社会经济发展的水平具有密切的关系。20 世纪 60年代以来，随着材料工程技术的迅猛发展，材料已经不仅在种类 上得到拓展，而且在包括光、声、电、磁、力、超导、高塑，以及超强、超硬、 耐高温等机能与性能上获得极大的扩展与深度发掘。 此类新材料的出现， 推进了 高技术产品的智能化与微型化， 从而极大地影响着人类的现代生活、 社会结构与 文化价值。 新材料与新能源， 以及新材料与新能源中的高新技术的发展， 正在极 大地丰富着人类的物质与精神

6、生活。材料与能源是人类文明的奠基石。材料是支承工业生产与工业技术的物质基础。 在现代社会的经济生活中， 诸 多高新技术产品都是与新材料技术的发展密切相关。 新材料技术已经成为一个国 家工业水平与技术能力的一个十分重要的标志。 在现代经济结构中， 新材料技术 在国家发展中的战略意义是不容忽视的。20世纪 80年代出现的新技术革命 , 把新材料、信息技术、生物技术并列为 新技术革命的重要标志。子报告中举例说明了材料学科的发展对 20 世纪文明发 展的重要性以及对 20 世纪社会经济的巨大推动作用。3. 社会经济及其他相关学科的发展与材料学科发展之间的关系材料是一门实用的直接的科学和技术， 所以，社

7、会经济发展的需求， 总是对 材料的研究和发展产生了巨大的推动和牵引作用。一般来说，材料的基础研究和带有明确目的的开发性研究都各有它们的价 值。它们的效用有长有短，在实际生产上的体现有快有慢，但有一点是相同的， 那就是要不断探索。 材料的应用研究一旦成功， 即一种材料诞生之后， 它的应用 价值和市场开发可以产生较大的辐射作用。现在的材料科学与工程学科是多学科性的， 由于材料的应用越来越广泛， 并 渗透到各行业，许多领域都与材料的制备、性质、应用等密切相关，使得材料成 为机械、电子、化工、建筑、能源、生物、冶金、交通运输、信息科技等行业的 基础，并与这些相关学科交叉发展。 所以，材料学科与其他学科

8、的交叉是一个必 然趋势，也是材料学科发展的一个重要特征。现代科学技术发展的特点是， 一方面学科呈现出多科性， 新兴学科不断涌现； 另一方面，学科发展又呈现出高度综合的趋势，交叉学科和边缘学科层出不穷。 学科交叉的形式可以多种多样。国绝大部分理工科高校一般都设有材料科学与工程系 （或学院） ，包含的专 业主要为材料类专业。 未来科技的发展将是多学科的交叉和综合。 为了迎接未来 的知识创新和人才培养的新趋势， 有必要在大学里建立新的结构层次， 即跨学科 的交叉中心。比如把材料科学、生物科学、医学工程科学结合在一起，构成交叉 学科中心，这样必将大大推动材料学科在新领域的增长点。二、材料科学与材料工程

9、学科是伴随着社会发展对材料研究 的需要而形成和发展的。作为人类赖以生存和发展的物质基础， 尽管材料的使用几乎和人类社会的形 成一样古老，但材料科学与工程学科的发展历史却非常短暂。但是，在仅仅 50 年的发展过程中，材料科学与工程学科已经充分显示了其在现代科学技术发展、 人类社会进步中所处的重要地位。 在我国材料科学与工程学科的发展过程中， 由 于历史的原因， 材料科学与材料工程的研究容逐步形成了明显的界限， 其人才培 养的规格也存在显著的区别， 即分别进行材料理论研究的科学家和材料应用研究 的工程师的培养。 而随着社会的发展及国际竞争日趋激烈， 社会对材料研究专门 人才的需求已经淡化了材料科学

10、与材料工程的概念， 更多的需求转向了材料科学 与材料工程相结合的综合性人才。 这体现了现代社会经济发展中对人才知识结构 和能力结构的实际需要， 在材料科学与工程专门人才培养的过程中， 必须将更多 的注意力放在这种社会变化上， 结合各高等院校的特点， 使传统的材料科学与材 料工程人才的培养向实现二者的有机结合逐渐过渡。1. 社会对材料科学与材料工程相结合的综合性人才的要求有其历史根源 1956 年苏联第一颗人造地球卫星的发射成功，使美国认识到材料的重要性，并 广泛开展了材料的研究， 于是材料科学与工程便以此为契机， 茁壮地发展起来了。 因此，材料科学与工程的诞生就是由于社会对材料科学与材料工程相

11、结合而产生 出的惊人的科技成果的应激性反馈。材料科学与工程的形成与发展有着在的、 更深刻的原因。 材料的研究涉及到多种 学科，材料科学与材料工程必须相结合才能转化为生产力， 从而为人类社会的进 步做出应有的贡献。因此，社会对材料科学与工程综合性人才的需求是有其历史性根源的。2. 社会对材料科学与材料工程相结合的综合性人才的要求的现实原因 随着现代社会经济的发展， 对材料研究专门人才的知识结构与能力结构的要求也 同步发展，特别是我国实现传统计划经济向现代社会主义市场经济转型的现实和加入WTC后面临的更激烈的国际竞争，使社会对材料科学与工程的综合性人才的 需求有了更深层次的扩展。3. 材料科学与材

12、料工程相结合的涵材料科学与工程的定义是： 研究有关材料成分 / 结构、制备/ 合成、性能和使用效 能及其关系的科学技术与生产。对材料四要素的认识和理解，要有动态的观念， 材料科学与工程四个基本要素的说明和控制应放在更高、更深的层次。 从材料的基本教育来说，它面向材料四要素。材料科学与工程的研究领域与纯科学研究领域及与某些专业工程研究领域都会 有重叠， 而且应该鼓励这些合作与交叉研究。 但从学科与基本教育看， 与纯科学 的区别以及化工是有区别的。因此，我们需要材料科学家， 要对材料从合成到服役的全过程进行综合性的研究， 应该特别重视材料在制备过程中的重现性和材料品质的一致性等非常重要的实 际问题

13、。4. 社会对材料科学与工程综合性人才的规格要求 社会对材料科学与工程学科综合性人才的规格要求是多元化并具有显著地方性 特征的，但其对材料科学与工程综合性人才规格的总体要求是具有一定共性的， 主要体现在素质结构要求、能力结构要求和知识结构要求三个方面：（1）素质结构要求包括思想道德素质、文化素质、专业素质、身心素质。（2）能力结构要求包括获取知识的能力、应用知识能力、创新能力。（3）知识结构要求包括工具性知识、人文社会科学知识、自然科学知识、工程 技术知识包括、经济管理知识包括、专业知识包括。三，材料科学与工程科学涵材料科学与工程是一个交叉领域的学科， 涵盖研发新材料及改进已知的材料通过 加深

14、对（ 微观结构-组成成分 -合成-加工 ）材料加工过程的理解。组成意思是 材料的化学组成， 结构意思是描述材料的原子的微观排列顺序。 材料的合成加工 和材料生产过程加工的都离不开材料的合成， 材料的合成就是通过人工的方法合 成天然的化合物， 材料科学与工程最重要的就是建立材料性能与其微观结构， 化 学成分，加工工艺之间的关系。在材料科学当中，重点是理解材料的合成加工， 微观结构与其性能的关系。 在材料工程中重点则是研究怎样将材料转变成有用的 设备或结构。材料科学与工程四面体 性能-化学成分 -合成工艺 -微观结构 材料四面体贯穿着一个材料的整个生命周期， 下面就以超导陶瓷为例介绍材 料四面体的

15、重要性。例如超导陶瓷在 1986 年被发现，正当大家都认为是陶瓷是绝缘体时，超导 陶瓷的发现对大家平时的观念有了质的变化，科学家也确定了超导陶瓷的组成 （YBCC）, 该陶瓷对电流没有任何阻碍作用，针对对于金属及陶瓷已有的研究陶 瓷导电基本上是不可能的。 所以第一步是发现了具有超导性质的陶瓷， 但是该陶 瓷只有在低于 150K 时才具有超导性。下一步便是去研究如何让这种材料变得更好。 “好”意味着我们要将超导陶 瓷的最低超导温度提升到我们便于利用并且考虑如何长距离的利用超导陶瓷传 递电流。这包括材料如何加工以及材料的精细结构的研究。 材料科学家想知道材 料的微观结构是如何影响材料的超导性能的，

16、 以及是否有其他的化合物业拥有相 似的超导性能。通过实验科学家分析出特定的合成精细粉末的方法来制备超导陶 瓷。作为一个研究材料工程的人来说， 仅仅有以上的研究是不够的， 因为我们不 仅是为了发现材料而去做研究的， 我们更加是为了能将材料应用到实际， 为社会 发展贡献力量。 我们知道导体最终都是会以各种形式来传导电流的。 因此我们就 要考虑在某种特定形态搞材料的稳定性， 以及是否可以满足长距离传输电流的需 要并且找出目前常用的铜线及铝线。最后还要看以哪种工艺来生产才最有效率， 最终性价比如何，用来替换当前材料是否合算等等当用来制造远程导线时， 陶瓷材料脆性大的弱点顿时凸显出来， 因此就必须 研究

17、适当的材料加工方法来克服这个缺点， 最终科学家通过反复试验， 发现可以 通过将精细超导粉末填入银原子管， 再制成棒状的形式可以达到目的， 但是成本 却大大提高了。有时，仅仅因发现一种新材料，现象，或者设备便会引起一场的改革。今天， 当我们回望历史时，硅基晶体管的发现并应用于计算机芯片领域是一场重大革 新。助推了信息革命的到来， 通常一种材料在一段时期的流行都会成为十分重 要的材料，例如许多铁合金，铜合金，等等。所以作为材料科学与工程专业的学 生来说，掌握在社会中应用十分广泛的材料是十分必要的。 对于一种新材料来说， 从研发结束的原材料到实际应用加工生产间隔几年甚至几十年都是十分普遍的。 根据材

18、料不同的性质材料可以有不同的分类。下面可以将材料从五个大的 方面分类1， 金属及合金（导电性，易于机械加工性，表面强化性能）2， 陶瓷材料（透光性，阻热性，耐烧蚀性）3， 高分子材料（结构易于加工，绝缘性）4， 半导体材料（单向导电性，可将电信号转换成光，等其他信号）5， 复合材料（高模量，高硬度，缓震性）一材料科学基础研究晶体学基础无论是金属还是非金属材料， 通常都是晶体， 因此作为材料科学的工作者， 首先要熟悉晶体的特征及其描述方法。晶体学基础基本包括以下容：（1）空间点阵及其描述，晶系和点阵类型（2）晶体取向的解析描述：晶面及晶向指数。（3）晶体中堆垛的几何学，堆垛次序，四面体及八面体的

19、间隙（4）晶体取向的几何描述：各种晶体投影（5）道易点阵的定义，属性，及应用（6）晶体的对称性，点群和空间群以上不仅是材料科学的基础，也是学习许多其他专业的基础固体材料的结构固体材料的各种性质主要取决于他的晶体结构，因此要正确的 选择性能符合要求的材料或研制具有更加优良性能的材料，首先要 熟悉，乃至控制其结构。除了实用意义意外，固体材料的结构还有 很大的理论意义，因为材料的结构是和组成材料的原子之间的作用 力密切相关的原子之间的结合键。而结合键乃是固体理论的出 发点。通过固体材料的研究可以以最直接最有效地确定结合键的特 征和类型。由于以上原因固体材料的结构测定已成为材料科学中 一个独 立，重要

20、的研究领域。即所谓的结构分析。结构分析的方法很多， 其中最重要，应用最广泛的方法就是 X 光，电子和种子衍射方法， 其基本原理在于一定的晶体结构对应着一定的衍射图样和衍射线 （或斑点）强度，通过对衍射图线和强度的分析便可推知晶体的结 构。由于晶体结构和组成晶体的原子结构密切相关，因此晶体结构 是建立在对各类化学键熟悉的基础上，进而来熟悉金属，非金属， 离子晶体，陶瓷材料，合金（包括固溶体和金属间化合物） 晶体的性形变众所周知， 晶体在外力作用下会变形， 当外力较小时是弹性变形， 外力去除 后变形可以修复。晶体在弹性变形时，应力和应变呈直线关系， 此称为虎克定律。 但是当应力超过一定值时（屈服极

21、限），应力和应变的关系就不再是直线关系， 卸载后变形也不能完全消失， 而会留下一定的残余变形， 这种不可恢复的变形就 叫做塑性变形（工程术语）或性变形（金属物理用语）。晶体的弹性能用弹性模量（E和G）表示。晶体的塑性（塑性变形能力）则 常用单位拉伸时的延伸率表示 （即断面的最大相对伸长） 和断面收缩率 （断裂前 最大的相对面积缩减） 表示。晶体的力学性能就是弹性， 塑性和强度等三方面的 综合。晶体的弹性和材料的微观组织联系不大。 属于对结构不敏感的性能， 而晶体 的塑性和强度（主要是屈服极限）对微观组织十分敏感，属于结构敏感性能。研究晶体的变形特点主要从理论和实验两方面入手。 理论方面有两条途

22、径，一是宏观途径，即建立唯象理论，如各种弹，塑性理 论和断裂力学等， 用于分析，计算工程结构和构件在工程使用及零件加工中的应 力，应变和断裂条件准则。 另一条途径是微观途径， 即建立晶体变形的微观模型， 研究塑性变形的微观机制，并确定微观组织（结构）与力学性能（主要是塑性和 强度）之间的关系。实验方面是利用各种宏观和微观的实验技术测定构件的应力和应变， 材料的 各种力学性能，以及微观组织和缺陷等。晶体的缺陷的研究我们知道即使在0K,实际晶体中也不是所有原子都是按照周期性规律的排 列的，因为晶体中的一些微小区域，在这些区域，或穿过这些区域时，原子排列 的周期性遭到破坏，这样的区域便称为晶体缺陷。

23、 按照缺陷相对晶体的相对大小， 可将晶体缺陷分为以下四类。（1）点缺陷 如果在任何方向上缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的限 度，因而可以忽略不计，这种缺陷就称为点缺陷。（2）线缺陷 如果在共面的各方向上的尺寸相对晶体或晶粒线度可以忽略 不计这种缺陷就称为面缺陷或者位错。（3）面缺陷 如果在共面的各方向上缺陷区的尺寸可以与晶粒的限度相比 拟。而在穿过该面的任何方向缺陷区的尺寸都远小于晶体或晶粒的线度， 则该缺 陷被命名为面缺陷。（4）体缺陷 如果在任意方向上缺陷区的尺寸可与晶体或晶粒的线度相比 拟，那么这种缺陷便称为体缺陷。不论是那种缺陷它的浓度都是非常低的， 但是缺陷对晶体整体性质的影响都 是

24、非常大的。它会影响到晶体的力学性质， 物理性质，化学性质以及冶金性能等。 材料热力学及其在材料科学中的意义材料热力学是应用热力学的基本原理， 分析说明材料中的各种现象， 是材料 科学中的重要容。材料科学研究材料组织， 结构及性能之间的关系。 及其因成分处理等引起的 变化。材料的组织是由相组成， 相是指系统中具有相同的组织结构和凝聚状态和 晶体结构、均匀或连续变化的成分、一致的性能、并有界面和其他部分分开。材 料热力学中给出系统中相平衡的条件和材料在一定条件下存在的相的状态如单 组员系在不同温度下的平衡相图； 根据热力学基本参数可以代替实验进而计算和 确定相图，这成为相图研究的一个重要方向。材料

25、的结构中包括界面、 位错、 空位等晶体缺陷， 热力学分析可以给出这些 缺陷的热力学特性，例如空位是热力学平衡缺陷，而位错为热力学不平衡缺陷， 这些热力学特性决定了这些缺陷的的存在和变化。 如室温条件下可以获得无位错 的晶体但是不能获得无空位的晶体。 犹如空位的消失和复合、 位错的分解和形成， 均由其热力学条件所确定。 材料中所发生的能引起材料组织、 性能变化的各类转 变是材料科学的重要容。 这些转变包括液态到固态的结晶凝固， 固态中的重结晶 热处理以及形变金属加热的再结晶退火等。 这些转变的发生都是由热力学条件所 决定。热力学可以给出转变的方向，驱动力大小，以及转变的速度的定性评价。 相图金属

26、材料及其他工程材料性能取决于其部组织、 结构，金属材料的组织又是由基 本的相组成。 由一个相组成的组织叫单向组织， 两个或两个以上的的相组成的叫 两相或多项组织，材料中想的状态是研究组织的基础。金属或其他材料部的状态由其成分和所处大的温度来决定。 相图就是用来表示材 料相的状态和温度及其成分关系的综合图形。 其所表示的是平衡状态， 因而在一 定温度，成分条件下是处于热力学最稳定状态，自由焓最低的状态。 相图是材料科学的基础容。 在材料工程中有重要意义。 可以举出以下应用的主要 方面：（ 1） 研制开发新材料，确定材料成分（ 2） 利用相图制定材料生产和处理工艺（ 3） 利用相图确定平衡态组织和

27、判断非平衡态组织的发展方向。（ 4） 利用相图与性能关系推断材料性能（ 5） 利用相图进行材料生产过程中的故障分析界面界面是晶体中的面缺陷，对晶体材料性质和发生转变都有重要影响。 界面阻碍位错运动引起界面变化， 提高材料的强度。 界面阻碍变形， 使变形分布 均匀，提高材料的塑性， 强度、的塑性的提高将会使材料韧性同样的得到提高因 此材料界面的增加可以的到细晶组织，可大大改善材料的力学性能。 界面具有高能量， 在化学介质中不稳定， 产生晶界腐蚀， 故界面影响材料的化学 性能。同样界面也对材料的物理性能有着一定的影响。 例如材料组织中的晶粒增 大，界面减少，可以提高导磁率，降低矫顽力，在高温下界面

28、强度降低，称为薄 弱环节。界面影响形变过程及金属加热时发生的再结晶过程。 界面增大变形阻力， 增加变 形储能，影响到再结晶时的晶核， 细小晶粒组织可以增加再结晶的形核率， 再结 晶时晶核的长大和再结晶侯晶粒的长大都是界面迁移过程。结晶凝固和固态相变都是新核生成和核心长大的过程， 形核依附界面长大依靠界 面迁移率，因此界面的结构和特性影响凝固和相变过程。固体中的扩散 就固体中原子或离子的运动而论， 有两种不同的运动方式。 一种是大量原子的协 同运动，如滑移、孪生，马氏体相变。 另一种为无规则的热运动； 就大量原子讲， 每个原子的运动都是随机的。 所谓扩散是由于大量原子的热运动而引起的物质的 宏观

29、迁移。此时应特别注意扩散中原子运动的自发性、随机性、经常性，以及原 子随机运动与物质宏观迁移的关系。可以从不同的角度对扩散进行分类。 在气体和液体中除了扩散之外， 物质的传递还可以通过对流等方式进行； 而在固 体中扩散往往是物质传递的唯一方式。 研究扩散无论在理论上或是实际中都有重 要的意义， 从理论上讲可以了解和分析固体的结构、 原子的结合状态以及固态相 变的结构。从实际上讲， 固体中发生的许多变化都与扩散密切相关。 如金属熔炼， 材料的提纯，粉末金属的烧结，高温下金属的蠕变， 以及腐蚀氧化等都是通过原 子的扩散进行的， 并受到扩散过程的控制。 通过扩散的研究可以对以上问题进行 定量，半定量

30、的研究。凝固与结晶工程金属材料的生产、 制备的一个重要的途径便是熔炼和凝固， 除去粉末冶金法 制成的少数制品外，几乎所有的制品都要经过金属的熔炼和凝固过程， 通过熔炼， 得到要求的成分的液态金属， 浇筑在铸型中， 凝固后获得铸锭或成型的铸件， 铸 锭再经过各种冷热变形以制成各种型材、板材、棒材和线材。无论是成型铸件或是铸锭经变形后得到的各种型材， 其性能都收到铸件或铸锭凝 固组织的决定性影响， 铸锭的凝固组织也影响其热变性能， 不合理的铸锭组织会 引起热变形中的开裂、破坏、降低成材率。热加工可以改善铸锭的组织及性能， 但铸造中的宏观缺陷仍将残留于制品中，给制品性能带来很大影响。回复与再结晶经受

31、冷变形的金属和合金在加热时发生的回复、 再结晶的现象及其相应的理论是 材料科学中的基本容，在材料工程中起重要作用。金属和合金受冷塑性变形后， 组织结构和性能发生明显的变化。 在力学性能方面 表现为强度，硬度提高，塑性韧性的下降，此即形变硬化现象，此外变形金属会 产生第一二类应力，当其超过材料的应力极限时，会造成工件的开裂，因此，一 般变形金属根据需要进行两类退火， 一类为去应力退火， 发生回复过程， 以以消 除应力，为了防止开裂；第二类为软化退火，发生再结晶过程，以提高塑性，恢 复变形能力，使工件进一步变形。研究冷变形金属的回复和再结晶的基本规律， 可以了解和掌握两类退火过程中发生的变化， 控

32、制和确定退火规， 保证退火质量， 使材料获得所需要的使用性能。利用回复再结晶的基本规律可以获得粗大晶粒及单晶体以进行科学研究， 可在无 相变的金属或合金中获得小晶粒是材料强韧化， 也可在某些磁性合金中利用再结 晶后产生的有向性结构对材料的磁性进行改善。对于能源工程，喷气式发动机，及导弹工程的耐热合金要求越来越高的工作温度， 这些合金采用形变强化或形变热处理综合强化， 因而对此类合金为满足较高温度 下的强化， 必须提高其再结晶温度以防止其软化， 研究再结晶过程的机制和加速 阻滞过程的因素也是非常重要的和必要的。固态相变（扩散相变）固态相变的一般特点 当温度压力及系统中各组员的形态、 数值或比值发

33、生变化时， 固体将随之发生相 变。发生固态相变时固体从一个固相转变到另一个固相时， 至少伴随着下列三个 变化之一：1， 晶体结构的变化2， 化学成分的变化3， 有序程度的变化固体材料性能发生变化的根源在于某种环境的作用下， 发生固态转变而导致 组织结构的变化， 固体材料中可能发生的相变的类型决定与在确定的条件下， 由 化学成分所确定的相的相对稳定性；固体材料中实际发生的相变，多数是再 0.1 兆帕下，由给定的温度条件即加热温度和冷却时所达到的温度所决定的； 这个温 度的高低， 一方面要受到热力学条件的限制， 另一方面它又反过来对化学动力学 产生影响；以此材料可以长时间的保持自己的组织和又该组织

34、赋予的化学性能。但是相比于液 -固相变，气 -液相变，气 -固相变相比固态相变时的母相是晶 体其原子呈一定规则排列， 而且原子的键和比液态时牢固， 同时母相中还存在着 空位、位错和晶界等一系列晶体缺陷， 新相母相之间存在界面， 因此在这样的母 相中必然存在一定的界面，其中起决定性作用的有以下几点：（1）固态相变阻力大（2）原子迁移率低（3）非均匀成核（4）低温相变时会出现亚稳相（5）新相往往都有自己特定的形状固态相变（马氏体相变）当奥氏体从高温冷却时， 若冷却速度足够快， 能避免在冷却过程中发生高温转变 及中温转变则奥氏体将在一定温度围转变成马氏体。根据马氏体形成的过程来看， 马氏体相变是非扩

35、散型相变， 相变过程中只有晶格 的改变而没有化学成分的变化。 新相总是沿着一定的晶体学面形成； 新相与母相 之间有着严格的取向关系，靠切边维持共格联系。马氏体相变不限于钢， 只要冷却速度快到能避免扩散型的相变， 因此也不限于一 般意义上的快冷， 原则上，所有的金属及合金的高温不稳定相都可以发生马氏体 相变。而且不少的非金属也有这种相变。二材料的工程涵所有材料的生产都是用来服务我们的生活及生产的。材料工程主要研究材料如 何才能更加有效率的应用于生产生活中的。因此作为从事材料设计及加工的研 究者来说，具有一定的工程观点是十分必要的。材料工程研究的容主要由以下几点组成：（ 1） 流体力学基础 流体力

36、学是求解材料工程领域流体运动和流体与周围物体间的相互作用 和运动规律的科学， 是帮助人们在工程实践中掌握流体的力学特性、 充分 发挥流体作用的理论工具。 在掌握流体力学的研究方法、 建立了描述流体 力学的微分方程后（连续性方程、运动方程及能量方程） ，掌握实验研究 方法的理论依据， 对流体运动过程中所发生的三种现象 （动量， 能量及质 量的传递）进行类比分析； 能够从工程的角度了解最常用的机械设备 离心式风机（ 2） 两相运动现象在自然界或是人类生产活动中， 有着多种多样的传输、 反应过程、 而且大 多数是多相共存的过程。（ 3） 传热学传热学是一门专门研究热能传递的客观规律的学科。 在材料加

37、工过程中存 在着众多的传热现象。 工业窑炉中对物料的加热， 以及高分子材料成型过 程中的加热与冷却， 都以热量传递为其主要功能。 因此掌握传热过程， 熟 悉传热的基本原理，最大限度的将热量传给被加热的物料，减少热损失， 提高热效率具有十分重要的意义。从生产角度看， 所有这些加热的目的就是使物料达到指定的温度； 或是进 行换热回收利用热量：以及进行保温减少能量的损失。对工业窑炉而言， 其传热现象可以分为两大类：一类是通过加热或融化物料的有益传热现 象，如炉高温火焰对物料的传热， 废气对换热器壁的传热等现象； 另一类 是造成损失的有害传热现象， 如窑体外壁的传热现象等。 强化有益传热削 弱有害传热

38、是我们研究传热现象的目标。 掌握传热的基本规律、 提出强化 或者削弱传热的途径和措施，是工程技术人员必备的 知识和技能。 从技术角度看， 一切材料加工过程中的传热现象均可分为以下三种 _导热， 对流和热辐射。（ 4） 质量传递基础 ：在两种及两种以上的组分构成的混合体系中， 如果在空间存在组分浓度分 布不均匀（即浓度梯度），则该组分将自发的由高浓度向低浓度方向传递， 这一过程既是质量传递，简称传质。传质现象在生活中随处可见如食糖在水中的溶解，煤气在空气中的弥散。 水的蒸发和木材燃烧等， 不胜枚举。 在工程科学技术中， 传质被广泛应用 于材料，化工，机械，能源，动力航空航天，环保等领域。材料的干

39、燥燃 烧等均与质量传递有着密切的关系。正如温度是热量传递的推动力一样， 浓度是质量传递的推动力。 在二元混 合体系中， 浓度梯度的存在往往会造成扩散， 这种扩散叫做热扩散， 不过 在浓度梯度不大的二元体系中这种扩散往往可以忽略不计。 根据传质机理通常可以将传质分为两大基本类型， 分别是扩散传质以及和 对流传质。在静止流体， 做层流运动的流体以及固体中， 物质分子由高浓 度向低浓度的区迁移， 这类现象叫做分子扩散传质。 而当流体做湍流运动 时，流体微团可以做与主流方向垂直的运动， 如果流体存在浓度差流团的 迁移将伴随着质量的传递， 这就是湍流扩散。 实践中将固定表面与相邻流 体间质量传递称为对流

40、传质。质量传递现象与流体运动（动量传递） ，热量传递在机理上具有相似性， 因而在质量传递时，采用类比的方法有助于对质量传递现象的分析与理 解。5）气体吸收（提纯气体） 材料制备过程中的所处理的原料、中间产物、粗产品等几乎都是混合物， 而且大部分是均相物系。 为进一步加工和利用常需要将这些混合物分离为 较纯净或几乎纯净的物质。 对于均相物系必须要造成一个两相物系， 利用 原物系中某种成分的差异， 从而使其中某些组分从一相转移到另一相从而 达到分离的目的。物质在相间的传递过程称为质量传递过程或者分离操 作。在工业生产过程中常见的传质过程有蒸馏、 吸收、 干燥和吸附等单元 操作。利用气体中组分在液相

41、中溶解的差异而分离气体混合的操作称为气体吸 收。使气体混合物与适当液体相接触， 气体中一种或几种组分溶解在液体 中，不能溶解的部分保留在气体中， 结果得到了分离后的气体中部分组分 富集而部分组分的分离。 所用液体称为吸收剂或溶剂， 以 S 表示， 气体中 被溶解的部分称为溶质， 不被溶解的部分成为惰性气体或载体。 排出的气 体为吸收尾气，其主要成分是惰性气体以及未吸收的组分。6）蒸馏（提纯液体）各种混合物的分离方法都是一句混合物中各组分的某种性质的差异而进 行分离的。 液体具有挥发成为气体的能力， 各种气体的挥发能力不同， 蒸 馏是利用液体混合物中各组分挥发度不同而实现分离的基本分离操作。7）

42、干燥工业生产中为了便于加工、运输和储存，需要出去其中的水或其他溶剂， 简称去湿，例如聚氯乙烯的含水量必须小于 0.2%，否则在以后的成型加 工中容易产生气泡；药品的含水量太高会影响保质期。常用的固体物料去湿方法：1，机械去湿 通过沉降、 过滤或离心分离等离心方法去除固体物料中的 湿分的方法叫做机械去湿。 ，这种方法是在去湿过程中不会发生相变，去 湿程度不高，但是去湿耗能较低2，吸附去湿 用一些平分气压较低的干燥剂（如氯化钙，硅胶等）与湿 物并存，物料中的水分经气相转入干燥剂。3，热能去湿 通过对物料加热的方法使其中的水分气化逸出， 这种利用 热能去除固体物料中水分的方法叫做干燥参考文献：【 1

43、】 杰。材料科学基础 理工出版。 2010【 2】 冯晓云 童树庭。材料工程基础 北京 化学工业。 2007【 3】 徐德龙 谢峻林。材料工程基础 理工大学。 2008【 4】 潘金生 仝健民 田民波。材料科学基础 北京 清华大学 1998【 5】 Donald R.Askeland Pradeep P.Phule The Science and Engineering of Materials 北京 清华大学 2005【 6】 James F.Shackelford Introducton to Materials Science for Engineers New York Macmillan publishing Company 19857】 全国高等学校教学研究中心材料科学与工程专业发展战略研究2006-01-16