论《材料科学与工程》学科.ppt

1、论材料科学与工程学科徐祖耀上海交通大学材料科学与工程学院，上海，200030材料科学与工程学科的建立材料科学与工程学科的建立 n受1957年苏联人造卫星上天（半年后美国人造卫星也跃空巡视宇宙）的刺激，1959年美国成立委员会研究材料学科的设置。以MIT的Morris Cohen为主席的委员会认为，按材料需要的发展，应将当时冶金学科、陶瓷学科和高分子材料学科合并为材料科学与工程学科。材料科学与工程学科的建立材料科学与工程学科的建立n20世纪60年代至90年代，美国多数拥有上列学科的学校，以设立冶金及材料学系为过渡，相继设立材料科学与工程系、材料工程系或材料科学系，其内容无甚差别。材料科学与工程学

2、科的建立材料科学与工程学科的建立表1 经典学科和新拓学科一览经典学科新拓学科金属学（物理冶金学）材料科学与工程金属冶炼（化学冶金学）金属加工（力学冶金学）无机非金属材料学陶瓷学陶瓷工学高分子材料学高分子工学材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容 n在Cohen的报告中，阐明材料科学与工程学科的重要内容为：“材料的成分、结构、组织以及加工制造工艺和性能之间的关系”，强调“材料科学与工程是一个整体”。材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容Cohen,Flemings,R.Cahn 师昌绪师昌绪图1 材料科学与工程学科内容示意图材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容图2

3、 现代材料科学与工程的四个基元组成材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容材料成分和组织对性能的影响，近百年来已为人们所熟悉。Titanic号船体钢由于Mn/S比不够高而导致脆断。表2 Titanic、Lock Gate 及现代船用三种船体钢的成分 材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容图3 ASTM A36钢和Titanic船体钢纵、横向试样夏比冲击功与温度的关系材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容n低碳马氏体中由于含有几个纳米厚的残余奥氏体，见图4，而具有一定韧性；高碳马氏体中，由于含孪晶，如图5，不易形变而导致脆性。材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科

4、的内容(a)(b)图4 0.24C-4.1Cr-1.0Mn钢的淬火态组织(a)明场；(b)暗场材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容图5 Fe-29.7Ni-0.42C3,15,10 马氏体及其内部孪晶 材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容材料的显微组织历来为材料工作者所重视。3维（3D）和4维（4D）组织和结构（X射线衍射）的研究正在兴起，见图6。图6 3D显微组织图像材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容n近年兴起材料成分和加工（工艺）设计、材料理论和建模以及组织演变的计算机模拟，推进材料科学与工程学科向新领域发展。关于材料成分和加工（工艺）设计的方法有：n

5、1 CALPHADn2 相场（Phase Field）方法n3 多层次设计 材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容n材料理论与建模包括：材料热力学、动力学及其建模，根据所建模型作出材料显微组织演变的计算机模拟，有关的专业期刊有：nCALPHADnModelling and Simulation in Materials Science and EngineeringnComputational Materials Science 材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容材料研究范围广宽，大致有下列几个方面。n传统材料性能改造n研究超高强度钢，超级钢；n低晶界脆性铜，吸声防冻水

6、泥材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容n结构和功能材料开发，包括n复合材料，超均质材料，功能陶瓷，半导体材料；n低维材料，薄膜材料，梯度材料；n电子材料，非晶（大块）材料，光学材料，光电材料；n准晶材料，微米纳米材料（100nm）；n生物仿生材料，智能材料；n形状记忆材料，能源材料；n高阻尼材料，环境材料；n碳素材料（纳米碳管纳米碳球）n新型建筑材料n节能环保建筑材料 材料科学与工程学科的内容材料科学与工程学科的内容 如何将繁多的研究领域归纳成几个方向，当可各抒己见。经本文作者近年考查，认为英国牛津大学材料系归纳得较为得体，他们将材料学科的内容归纳成：n加工（processing）

7、；n表征（characterization）；n性质（property）；n理论和建模（theory and modeling）。国际上本学科的发展近况国际上本学科的发展近况 在上世纪后叶，国际上基本已确立材料科学与工程学科，但称谓以及内容上发展并不平衡。在美国原设有冶金系的著名大学几乎全更名为材料科学与工程系。n英国牛津大学设材料系（Department of Materials），剑桥大学则称材料科学与冶金系；n比利时鲁汶大学称冶金及材料系；德国好些学校保留了冶金工程；n日本大阪大学等设材料科学与工程系，但一些研究组仍保留金属材料的主攻方向；很多大学保留了冶金工程;n在韩国多设冶金及材料系

8、。我国的情况我国的情况 n我国在上世纪80年代初期就相继改设材料科学与工程系（本文作者于1982年任上海交大材料科学系首任系主任），标志这个学科的建立。目前有几十所大学设立这个系或学院，但多数并不完整，即不具备金属、陶瓷和高分子材料的综合学科体系。我国的情况我国的情况 n在我国另一个显著的特点是众多的二级学科。本科生有冶金学科的几个二级学科及材料学科的几个二级学科，名目繁多，均为以前的专业或专门化；研究生则设材料学、材料加工以及材料物理与化学三个二级学科。我国的情况我国的情况 n由于我国材料学科的研究生设有材料物理与化学二级学科，一些拥有物理系和化学系的大学，包括师范大学和学院就设立或申请材料

9、物理与化学的硕士点、博士点。设有电子工程专业和其他有关专业的也竞相争取设立有关的二级学科博士点，有的学校设有材料科学与工程学院，但在化工（化学）学院内又成立高分子材料系。存在的问题存在的问题 n鉴于目前我国学科设置和发展情况，似宜解决下述问题：（1）我国的材料科学与工程学科是否应包含冶金学（及冶金工程）和高分子材料学？（2）有无必要设立二级学科？（3）材料科学与工程学科的主要研究内容与“材料科学与工程”是一个整体和学科交叉发展的关系，值得探讨。强化学科发展的意见强化学科发展的意见n为使本学科能大力促进我国科技的自主、创新，材料工作者在有关部门领导下，应研讨如何充实学科内容，合理规划学科设置，如

10、何为学科交叉提供发展空间，以及如何培养各类人才。本文作者的初步意见还认为，宜淡化二级学科，按不同单位的定位，有的仅设一级学科，着重材料综合基础，培养材料界领军人物，为我国整体材料学科水平的提高奉献才智；有的发展某些材料专业，形成特色，为一些材料专业或工程领先国际水平，或为一些地方材料工业的腾飞贡献力量。抛砖引玉，拙见是否妥当，谨请指正。材 料 相 变固态材料在环境作用下的相变 不同的相具有不同的原子（分子）集合态、不同结构形式（如晶体结构）或不同化学成分或不同物理性质。一个相受环境（外界条件）条件作用（如受力、磁场、热场等）转变为另一相时称为相变。和受应变能、表面能及外力作用使体系内原子（分子

11、）迁动的再结晶及晶粒长大不同，相变受相变驱动力（相变后体系自由能降低，其母相自由能与相变产物自由能之差称为相变驱动力）作用而发生。物理学家对相变研究作出杰出贡献，如：平均场理论:铁磁相变（1907，P.I.Weiss）有序无序相变（1987，L.D.Laudan）标度律与普适性（1965，1966）重正化群理论（1972，K.G.Wilson）相变临界现象材料工作者着重在下列工作做出贡献：材料应用评价 对性质（效能）影响 材料的开发 成分制备或加工工艺 结构显微组织形态*相变是如何产生的？*相变是怎么进行的？相的失稳 相内单体原子（分子）能量及集合体能量的计算。“density functio

12、nal theory”由第一原理量子态计算 A.P.Sutton and R.W.Balluffi,Interfaces in Crystalline Materials,1995,The Clarenden Press,Oxford.但计算困难。其他学者也提出一些包括电子能态的计算方法。以一些溶液模型求得各类相变的驱动力（G）值。见徐祖耀，李麟。材料热力学，第三版，第十二章相变热力学，科学出版社，2005 材料中的相变多数系晶体结构改变，称为结构相变，如钢中退火冷却时，(fcc)(bcc)+Fe3C，淬火时(fcc)M(bct)都属一级相变；但磁性相变时，晶体结构不改变，仅电子态的改变，属二

13、级相变。超导相变、有些铁弹相变和铁电相变、玻璃态相变和一些有序化相变均属二级相变。热力学中一级相变 12二级相变S1S2，V1V2，但比热Cp(1)Cp(2)，压缩系数12，膨胀系数12 一级相变中多数系形核长大型；但也有不经形核和长大过程，直接由起伏稳定地扩大、形成新相，如Spinodal分解及有些有序化相变，属连续型（Continuous）相变。Spinodal分解的热力学条件 二元系：按相变过程中原子（分子）的动态，将相变分为：（1）扩散型相变：它包括连续型（Spinodal分解和连续有序）；形核长大型相变（长程扩散，呈成分改变，如共析分解、沉淀，贝氏体相变；和短程扩散，不呈成分改变，如

14、块状相变）（2）无扩散型相变，包括：1）点阵畸变型：切变为主的马氏体相变；膨胀为主的相变，如 fcc Cebcc Ce；bcc Sndc Sn。2）点阵无畸变相变（连续型）：相变，有些铁弹相变、铁电相变及有序化相变。近年来在相变热力学、相变动力学、相变晶体学、相变形态学（包括组织与性质的关系）和纳米材料相变的研究都颇有建树。热力学（包括统计热力学）、量子力学（第一原理）、群论、力学等理论的应用，建立了相场（phase field）理论，说明相变对晶体对称性的改变(A.S.Conti,et.al,Nature,2004,428:55)，建立马氏体相变孤立子（soliton）模型等。应用X射线同步

15、辐射仪研究钢中相变(S.E.Offerman et.al;Science,2002,298:1003)及发现钒在63-69GPa压力和室温条件下，出现新的相变：由bccorth菱形晶格(Yang Ding,Phys.Rev.Lett.,2007,98:085502)，及高分辨电镜新技术的应用，给出新的信息，如贝氏体/母相与马氏体/母相间不同结构(S.Kajiwara,J.Phys.IV,France,2003,112:61;K.Ogawa and S.Kajiwara,Mater.Sci.Eng.A,2006,438-440:90-94)，说明贝氏体相变机制不同于马氏体相变。Fe-2Si-1.

16、4C钢中，下贝氏体/奥氏体相界面的高分辨电镜象Fe-8.8Cr-1.1C钢中马氏体/奥氏体相界面的高分辨电镜象 除相变理论研讨外，对相变机制的进一步探索（如对块状相变）和实用要求（如发展超高强度钢）上也作了不少工作。但对超导相变机制尚未判定，对贝氏体相变机制未达成共识。相变的热力学建模工作有待继续开展。应力等外场作用下的相变模型也待建立。钢的TTT图与CCT图的关联尚需研讨，请见我们的工作：Metall.Mater.Trans.,2003,34A:1259-1264 ISIJ.Inter.,2004,44:777 Current Opinion in Solid State and Mater.Sci.,2005,9:256-268马氏体相变的形核按经典形核理论（Fisher,Hollomon,Turnbull,1948,1949）形核率：跨越母相（）/马氏体（M）界面所需的激活能；：形核能垒；：Boltzmann常数。在一定温度下，为一常数。所以，P Cohen和Kaufman(1958)求得Fe-30Ni在Ms=233K时，核胚约包含200万个原子时，为 的105倍，认定：依靠热起