重新认知材料科学与工程

供稿|张建斌 / ZHANG Jian-bin

重新认知材料科学与工程

New Knowledge of Material Science and Engineering

供稿|张建斌 / ZHANG Jian-bin

内容导读

材料是人类文明、社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。人类进入21世纪后开始认真思考材料、能源和环境的密切关系，越来越重视材料的可持续发展。材料科学着重于发现材料的本质，并由此对其结构与组成、性质、使用性能之间的关系作出描述与解释；而材料工程则是应用材料科学的知识，对材料进行控制并实现其具体应用。材料科学与工程包括四个要素—成分与结构、制备与加工、性能以及使用性能，四者之间密切关联，它们是材料科学与工程的核心所在，它们相互作用形成了一个四面体整体(即MSE)。在此基础上，将成分和结构分开，提出了六面体模型，并在中心位置加入理论、材料设计与工艺设计；在性能和使用性能的基础上，衍生出材料选择和材料优化；在考虑资源、环境的基础上，提出材料的环境协调性。这些发展无疑赋予材料科学与工程更为全面而丰富的内涵。

材料

我们周围到处都是材料，那么，究竟什么是材料呢？美国材料科学与工程调查委员会将材料定义为：在机器、结构件、器件和产品中因其性能而成为有用的物质。

可见，材料(Materials)和物质(Matter)是既紧密联系而又涵义不同的两个概念。材料是物质，但不是所有物质都可以成为材料，材料总是和一定的应用场合相联系的。材料可由一种物质或若干种物质构成；同一种物质由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途迥异的不同类型材料。因此，材料与物质间的关系可归纳为以下三方面内容：即材料(是)有用的并能用来制造物品(件)的物质；材料一般指固态的、可用于工程上的物质；作为材料科学的研究对象，主要是那些制造器件或物品的人造物质。

材料是由元素之间相互作用构成的。元素周期表成为材料科学家和工程师普遍使用的参考工具。元素周期表及其基本规律(见图1)无论是对材料构成的本质和材料行为与特征的认识，还是研制和开发新材料，都具有不可估量的价值。

图1 元素周期表的规律性(箭头表示增大的方向)

科学与工程

科学是对现象的观察、描述、确认、实验研究以及理论解释。通常以论文(Paper)、报告(Report)和书(Book)等形式出现。

工程是将科学原理应用到实际目标，如设计、组装，运转经济而有效的结构、设备或系统。通常以项目(Project)、专利(Patent)、标准(Standard)和产品(Product)等形式出现。技术和工艺是与工程相关的概念，技术泛指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法与技能，工艺是将原材料、半成品加工成为产品的方法和过程。它是以固体物理、固体力学、热力学、动力学、量子力学、晶体学等为其理论基础的交叉应用学科，运用光学显微镜、电子显微镜、X-射线衍射、电子探针、离子探针以及热分析等各种精密仪器和技术为手段，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程以及与其力学、物理、化学性能之间规律的一门应用基础学科。

材料科学与材料工程

材料科学是研究材料共性的一门科学，它致力于材料本质的发现、解析，其目的在于提供材料结构的统一描绘或给出其模型，并解释这种结构与材料的性能之间的关系。

材料工程是工程的一个领域，它的目的在于采用经济的而又能为社会所接受的生产工艺、加工工艺，控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。

材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同，它们当中并没有一条明确的分界线。材料科学着重于发现材料的本质，并由此对其结构与组成、性质、使用性能之间的关系作出描述与解释；而材料工程则是应用材料科学的理论和知识，对材料进行控制并实现其具体应用。材料科学或材料工程是一个多学科领域，涉及物质的性质及其在各个科学和工程领域的应用。它与电子工程结合，则衍生出电子材料，与机械结合则衍生出结构材料，与生物学结合则衍生出生物材料等等。

一般在使用材料科学这一术语时，通常都包含了材料工程的许多方面；而材料工程对具体问题的解决，都必须以材料科学作为基础与理论武器。所以，材料科学与材料工程是一个有机的、密不可分的整体。在“材料科学”这个名词出现后不久，就提出了“材料工程”与“材料科学与工程”的概念。许多大学的冶金系、材料系也就此改变了名称，多数改为“材料科学与工程系”，偏重基础方面的就称为“材料科学系”，偏重工艺方面的称“材料工程系”。

同理，有科学家(Scientist)和工程师(Engineer)的区别。科学家探索世界以发现普遍法则，工程师使用其普遍法则以设计实际物品。科学家广义上指使用系统化的活动来发现新知识的人，狭义上指使用科学方法做研究的人；工程师是指在某一工程领域内使用科学知识来驾驭技术以解决实际问题的工程专业领域的人。材料科学工作者和从事材料的工程师的工作性质与之相类似。

材料科学与工程的内涵

材料科学与工程(Materials Science and Engineerr--ing，简称MSE)就是研究各种材料的成分/结构、制备与加工、性能以及使用性能之间关系的科学。近年来国内外材料界都把材料的成分与结构(Comppoossii--tion/structure)、制备与加工(Synthesis/processing)、性质(或性能，Properties)以及使用性能(或使用效能，Performance)称之为材料科学与工程的四个基本要素，并将它们连结在一起，便形成一个四面体，见图2。

1) 成分与结构

成分和结构包括了决定材料性质和使用性能的原子类型和排列方式。

图2 材料科学与工程的四要素与四面体

成分指组成材料的元素或原子、离子的类型。具体而言，成分是指材料的化学组成及其所占比例。结构指组成材料的原子或离子在不同尺度上的排列，如宏观、微观的组织结构。

2) 制备(合成)与加工

制备与加工的本质是获得原子的特定排列的方法和过程。具体来讲，就是指通过一定手段构建原子、分子及其聚集体的新排列，是在从原子尺度直到宏观尺度的所有尺度上对结构进行控制以及高效而有竞争力地制造材料和零件的演变过程。

制备(合成)常指原子和分子组合在一起制造新材料可采用的物理或化学方法。制备的作用包括合成新材料、用新技术合成已知的材料或将已知的材料合成为新的形式，以及将已知材料按特殊用途的要求来合成这样三个方面。

加工指将材料成型为有用产品或改变其性能。除了上述为生产出有用材料对其原子和分子的构成与状态进行控制外，加工还包括材料在较大尺度上的改变，有时也包括材料制造等工程方面的问题。

对于金属材料，一般而言是先行合成制备(冶炼，如炼钢)再后续加工(如轧制、机械加工等)。合成和加工包括一系列各不相同的技术和工艺，如钢板的轧制、锻造、挤压、冲压成型，机械加工或切削成型，材料的热处理或表面改性(涂层等)处理。

3) 性质(性能)

性质也称为材料的固有性能，材料的性能是由原子及其排列(即结构)决定的，它赋予了材料的价值和可应用性，包括材料本身具有的力学性能(如强度、塑性、韧性等)、物理性能(如电、磁、光、热等性能)和化学性能(如抗氧化和抗腐蚀性、高聚物的降解等)。

性质是材料功能特性和效用(即电、磁、光、热、力学等性质)的定量度量和描述。任何一种材料都有其特征的性能和由之而来的应用。例如，金属材料具有刚性、强度和硬度，可以用作各种结构件；金属还具有延性，可以加工成导电或受力用的线材(如导线和钢丝)；一些特种合金，如不锈钢、形状记忆合金、超导合金等，分别可以用作耐蚀材料、智能材料和超导材料等。

4) 使用性能

使用性能又称效能或服役性能。使用性能是在考虑经济、社会成本和收益的基础上，材料在实际使用中有用性的度量。使用性能通常指材料做成零件或产品后在最终使用状态时的行为，是把材料固有性质与产品设计、工程应用能力和人类需要三方面相联系、相融合在一起的一个要素。

应指出地是，材料的性能是其使用性能的基础，使用性能与材料的性能既紧密联系又相互区别。材料的性能(质)是在元器件或零件组装的设备实现预期的使用性能后而得到利用的。

材料设计与材料选择

在材料科学与工程四要素的基础上，材料工作者认为成分和结构是不同的两个参量，提出了五要素的六面体模型，见图3。在六面体的中心位置加入理论、材料设计与工艺设计；在性能和使用性能的基础上，分别衍生出材料选择和材料优化。这些发展无疑赋予材料科学与工程更为全面而丰富的内涵。

图 3 MSE五要素、六面体以及材料设计与选择示意图

1) 材料设计

材料设计是应用已知的材料信息、科学知识和实践经验，通过控制成分并提出其制备合成方案，预报和开发满足特殊要求的新材料的一种活动过程, 其目的是改进已有的材料和开发新材料。从工程角度，材料设计是依据产品所需材料的各项性能指标，利用各种有用信息，建立相关模型，制定出具有预想的微观结构和性能的材料以及材料的生产工艺方法，以满足特定产品对新材料的需求。

材料设计可根据设计对象所涉及的空间尺度划分为材料性能层次、微观结构层次、原子分子层次和电子层次的设计，以及综合考虑各个层次的多尺度材料设计，材料设计各层次所对应的相关学科如图4所示。

图4 材料设计的层次(尺度)和相关学科

电子、原子与分子层次对应的空间尺度大致在nm级左右, 所对应的学科层次是量子化学、固体物理学等, 分子动力学法与蒙特卡罗法、有限元等以及工程模拟等技术是相应层次常用的研究工具； 微观结构层次的设计所对应的空间尺度大致为μm级左右,所对应的学科为材料科学, 此时材料被认为是连续介质, 不用考虑材料中个别原子和分子的行为，有限元等方法是这一领域常用的研究工具；对于宏观性能层次的设计来说, 涉及到块体材料在成形与使用中的行为表现, 属于材料工程甚至系统工程的领域, 常采用工程模拟等技术。此外，对不同的研究任务, 上述各层次其表现作用也不同。如研究电子材料的某些电学特性，可能以电子、原子层次的研究为主；研究复合材料的细观力学，可能用有限元方法，等等。因此, 不同的材料研究任务可能会采取不同的研究方法。再者, 现在材料研究中各层次的联系还不够紧密, 各层次之间还缺乏系统的研究, 还找不到一个整套的、完善的由微观参数到宏观性能指标，定量的科学准则来指导材料设计工作，这是材料工作者需不断奋斗的一项长期目标。

2) 材料选择

材料选择是材料科学与材料工程的重要使命之一，是材料器件化、产品化的必经之路，也是材料工作者的职责所在。

为一个具体产品找到一种理想材料是很困难的事情，这是因为选材问题不像其他科学问题，即一个问题只有一个正确答案。

选材中的理想结果是只有一种材料满足设计要求，但工程实际中往往是有许多候选材料，而其中每种材料都可能只是在不同程度上满足其要求。所幸的是大多数情况下，所设计的产品有先例可以借鉴，采用相似的材料和工艺生产相似的产品或零部件，即使材料选择不完全得当，一般也不会出现太大的差错。但是，要达到科学而合理的选材，不仅是不容易的，而且是意义重大的。如果产品是没有先例的，材料选择就更显得特别重要了。

此外，选材中也可能出现现有材料都不能满足规定的性能要求，或者由于价格高、不易购得、环境关系等原因，无法合理选材。在这种情形下，可以通过重新设计、降低要求或者研制新材料来解决。

在近年兴起和提倡的绿色设计中，要求设计人员改变传统选材的程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用条件和性能要求，还要考虑环境约束准则、材料对环境的影响以及环境友好性原则。

材料循环

人类从地球上通过采矿、钻探、挖掘、采集等得到矿石、矿物、煤、原油、天然气、石头、沙子、木头、生橡胶等原材料，这些原材料通过冶炼或其他初加工被制成工业用原料，然后进一步加工成工程材料。这些工程材料通过完成相应设计要求的加工制造，组成结构件、机器、装置和其他社会需要的产品，为人类所使用。当这些由工程材料制成的产品被人类使用一定期限后，或因服役后失效，或到了工程要求的服役(或寿命)期，或完成了某一规定使用周期，人们通常把它废弃，这些废弃物又回到大地中去，这就是人们长期以来所形成的传统思维或传统产业的“资源开采－生产加工－消费使用－废物丢弃”的物质单向运动模式，如图5材料循环模式中的外环。

图5 材料循环示意图

审视20世纪过程工业的发展历程，过去的材料科学与工程是以追求最大限度发挥材料的性能和功能为出发点的，而对资源、环境问题没有足够重视，没有充分考虑材料的环境协调性问题。

优良的环境协调性是指从材料制造、使用、废弃直到再生循环利用的整个寿命过程中，其资源、能源消耗少，环境污染小、再生循环利用率高。材料的循环可借鉴解决环境问题的三个原则，即3R: 一是减量(Reduce)，其特点就是尽可能减少材料生命周期各阶段排放的废弃物；二是再利用 (Reuse), 其特点就是将废弃物中材料或零件不进行再加工和分离,直接作为产品使用；三是再生循环 (Recycle) ，其特点就是对废弃物进行加工处理, 作为原料来使用(即再资源化) 。

物质单向运动模式是不可持续的，而应当代之以双向循环模式(或理论意义上的闭合循环模式)。即废弃物通过回收利用，经过某种再生、加工过程，又回到原材料的状态，重新进行材料的循环过程，如图5材料循环模式中内环。目前，金属材料中钢铁构件和铝制品等的回收利用是非常成功。

张建斌 (1972—)，男，副教授，任职于兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃省有色金属材料省部共建国家重点实验室，从事金属材料组织性能和表面改性研究。E-mail：jbzhangjb@gmail.com。

兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃省有色金属材料省部共建国家重点实验室，甘肃 兰州 730050

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.08