材料科學(xué)研究方法概述

材料科學(xué)研究方法概述一．材料的定義、特點與分類1.定義物質(zhì)經(jīng)材料合成或材料化后才成為材料，材料具有指定工作條件下使用要求的形態(tài)和物理狀態(tài)的物質(zhì)。2.分類材料按物理化學(xué)屬性可分為：金屬、無機非金屬、高分子材料、復(fù)合材料；按來源可分為：天然材料和人造材料；按用途可分為：功能材料和結(jié)構(gòu)材料；按狀態(tài)可分為：氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)。3.材料的幾大效應(yīng)（1）材料的界面效應(yīng)材料的界面有晶界、相界、亞晶界、孿晶界等。材料的力學(xué)性能、物理性能及化學(xué)、電化學(xué)性能都與材料的各種界面有著非常密切的關(guān)系。材料的形變、斷裂與失效過程，起源于各種界面的占了大部分，材料加工過程中的各種變化也基本上都與界面有關(guān)。界面的研究在材料科學(xué)中有著重要的地位。不同材料的界面有以下幾種效應(yīng)。A.分割效應(yīng)。是指一個連續(xù)體被分割成許多小區(qū)域，其尺寸大小、中斷程度、分散情況等對基體力學(xué)性能及力學(xué)行為的影響；B.不連續(xù)效應(yīng)。界面上引起的結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)等性質(zhì)的不連續(xù)和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等；C.散射和吸收效應(yīng)。界面處對聲波、光波、熱彈性波、沖擊波等各種波產(chǎn)生的散射和吸收，影響材料的透光性、隔熱性、隔音性、耐沖擊性等；D.感應(yīng)效應(yīng)。界面產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)，特別是應(yīng)變、內(nèi)部應(yīng)力及由此產(chǎn)生的某些現(xiàn)象，如高的彈性、低的熱膨脹性、耐熱性等。界面問題涉及界面兩側(cè)原子的對勢、電子態(tài)和電子結(jié)構(gòu)、界面原子鍵合的性質(zhì)、結(jié)合能、界面兩側(cè)晶體結(jié)構(gòu)和界面晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系、界面切變模量、界面位錯形核與反應(yīng)、環(huán)境對界面過程的影響等多方面的問題。界面的熱力學(xué)、界面偏析、界面擴散、界面化學(xué)反應(yīng)等都是材料科學(xué)中的重要問題，特別是納米材料的界面及其新的效應(yīng)、復(fù)合材料的界面更是現(xiàn)代材料科學(xué)研究中的熱點。（2）材料的表面效應(yīng)晶體表面也是材料界面的一種，只是材料的固體表面和周圍介質(zhì)（氣體、液體）的界面。材料表面的原子、分子或離子具有未飽和鍵，并且由于結(jié)構(gòu)的不對稱而造成晶格畸變，所以材料表面都具有很高的反應(yīng)活性和表面能，而且具有強烈降低其表面能，力求處于更穩(wěn)定能量狀態(tài)的傾向。（3）材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料具有的復(fù)合效應(yīng)主要有線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)。線性效應(yīng)有平均效應(yīng)、平行效應(yīng)、相補效應(yīng)、相抵效應(yīng)等；非線性效應(yīng)有相乘效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、共振效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)等。一般結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有線性效應(yīng)，但很多功能復(fù)合材料則可利用非線性效應(yīng)創(chuàng)造出來，最明顯的是相乘效應(yīng)。（4）材料的形狀記憶效應(yīng)具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過塑性變形后，通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時，材料又恢復(fù)到初始形狀的現(xiàn)象，稱為形狀記憶效應(yīng)。具有形狀記憶效應(yīng)的材料稱為形狀記憶材料。（5）材料的動態(tài)效應(yīng)各類材料的失效大都是由量變到質(zhì)變的動態(tài)過程。加強對失效動態(tài)過程的分析研究，才能更深刻地揭示材料的失效機理及其控制因素。（6）材料的環(huán)境效應(yīng)由于在材料的加工、制備、使用及廢棄過程中對生態(tài)環(huán)境造成很大的破壞，使全球環(huán)境污染問題變得日益嚴峻。因此，對材料的生產(chǎn)和使用而言，資源消耗是源頭，環(huán)境污染是末尾。材料的生產(chǎn)、使用與資源及環(huán)境有著密切的關(guān)系。（7）材料的納米效應(yīng)納米材料是超細微材料，是指由微小顆粒（絕大多數(shù)為晶體，其特征尺度至少在一個方向上為納米量級）組成的固體，其典型的晶粒尺度為1nm～100nm。隨著物質(zhì)的超細微化，納米材料表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物體所不具備的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)等四大效應(yīng)。這就是材料的納米效應(yīng)。這些效應(yīng)使得納米材料具有一系列優(yōu)異的力學(xué)、磁性、光學(xué)和化學(xué)等宏觀特性。小尺寸效應(yīng)是當超微顆粒尺寸不斷減小，在一定條件下，會引起材料宏觀物理、化學(xué)性質(zhì)上的新變化。量子效應(yīng)是指當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致的納米微粒的電磁、光學(xué)、熱學(xué)和超導(dǎo)等微觀特性和宏觀性質(zhì)表現(xiàn)出與宏觀塊體材料不同的特點。表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。界面效應(yīng)是納米材料的結(jié)構(gòu)有很大比例的原子處于缺陷環(huán)境中。二．材料的研究內(nèi)容1.研究分類（1）材料物理與化學(xué)學(xué)科以理論物理、凝聚態(tài)物理和固體化學(xué)等為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代物理與化學(xué)研究方法和計算技術(shù)，研究材料科學(xué)中的物理與化學(xué)問題。從電子、原子、分子等層次上著重研究材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變規(guī)律，以及它們與材料的各種物理、化學(xué)性能之間的關(guān)系，并運用這些規(guī)律來改進材料性能，研究開發(fā)先進材料與器件，發(fā)展材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，探索從基本理論出發(fā)進行材料設(shè)計，著重現(xiàn)代物理與化學(xué)的新概念和新方法在材料研究中的應(yīng)用。（2）材料學(xué)學(xué)科材料學(xué)研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能之間的相互關(guān)系，致力于材料的性能優(yōu)化、工藝優(yōu)化及材料的開發(fā)與合理應(yīng)用。材料學(xué)是實用性比較強的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，其研究既要探討材料的普遍規(guī)律，又要有重要的工程價值。研究的范圍包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料。材料學(xué)及其發(fā)展不僅與揭示材料本質(zhì)和演化規(guī)律的材料物理與化學(xué)學(xué)科相關(guān)，而且和提供材料工程技術(shù)的材料加工過程學(xué)科有密切的關(guān)系。（3）材料加工工程學(xué)科是研究控制材料的外部形狀和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以及將材料加工成人類社會所需求的各種零部件及成品的應(yīng)用技術(shù)的學(xué)科。其研究范圍包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料等，主要研究這些材料的外部形狀和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)形成規(guī)律，材料加工的先進技術(shù)和相關(guān)工程問題，材料的再循環(huán)技術(shù)，加工工程的自動化、智能化及集成化，材料加工工程的質(zhì)量檢測與控制，材料加工工程模擬仿真，材料加工的模具和關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計與改進。隨著社會的發(fā)展和科技的進步，材料加工工程學(xué)科的內(nèi)涵已經(jīng)超出了原來的范疇，與材料物理與化學(xué)、材料學(xué)、機械、自動控制等學(xué)科有著密切的聯(lián)系，是多學(xué)科交叉的新學(xué)科。2.具體內(nèi)容（知識點只是偏重于某一類，并非非屬于，各種狀態(tài)的改變都是通過之間的關(guān)系改變的）2.1組織結(jié)構(gòu)2.1.1基本特性根據(jù)不同的目的和研究方法，材料中的結(jié)構(gòu)是有不同層次的。從電子、聲子等到原子、離子、分子，從晶體結(jié)構(gòu)到相、組織，從位錯等缺陷到微觀裂紋。這些不同層次的知識對我們理解材料的各種行為、性能以及物理、化學(xué)的本質(zhì)非常有幫助。宏觀與微觀是相對的。要正確地對待材料結(jié)構(gòu)及其層次，應(yīng)該注意五個共性問題：可分與窮盡，轉(zhuǎn)變與守恒，樹木與森林，表象與真實和量變與質(zhì)變。（1）可分與窮盡原子的英文是Atom，意思是“不可分”。，應(yīng)該說物質(zhì)是可分的，人的認識是不可窮盡的。牛頓力學(xué)解釋了宏觀現(xiàn)象，但應(yīng)用于原子結(jié)構(gòu)，遇到了困難，于是產(chǎn)生了量子力學(xué)。這是認識運動的發(fā)展。另一方面，認識也是有層次的。在比較大的尺度內(nèi)研究物質(zhì)時，可以忽略太細的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以將這些“組元”作為數(shù)學(xué)上的點。（2）轉(zhuǎn)變與守恒在質(zhì)和能可以互換的條件下，質(zhì)量與能量的總和保持不變；質(zhì)量是能量的一種形式，能量又是質(zhì)量的一種形式。但是，在絕大多數(shù)情況下，質(zhì)量守恒和能量守恒仍然是科學(xué)與工程所依賴的兩個基本的規(guī)律。系統(tǒng)的質(zhì)量發(fā)生變化時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以發(fā)生變化，也可能不發(fā)生變化。但是，物質(zhì)的能量發(fā)生變化時，其內(nèi)能必然要發(fā)生變化，而內(nèi)能又是狀態(tài)性質(zhì)，它的變化必然導(dǎo)致狀態(tài)參量的變化。這對于材料來說是尤其重要的，因為結(jié)構(gòu)決定了性能。（3）樹木與森林樹木和樹林猶如部分與整體。從層次來看，由微觀的層次組成宏觀的層次。人們研究材料，到目前為止，有如下的逐步微觀化的層次：連續(xù)介質(zhì)→缺口及裂紋→相及分子→原子→電子。選擇結(jié)構(gòu)的層次，應(yīng)該根據(jù)問題的性質(zhì)和要求，不要盲目地追求微觀化。一般來說，接近于工程應(yīng)用尺寸的結(jié)構(gòu)層次的分析和研究，實用性比較大；較深層次的結(jié)構(gòu)分析和研究，則可用于理解和控制現(xiàn)象。因此，應(yīng)該根據(jù)問題的性質(zhì)去選擇研究的結(jié)構(gòu)層次。研究森林時，就以整個森林為對象，用有代表性的、典型的樹木為樣品來研究森林；研究樹木時，樹木就是整體，從樹木各部分的研究去理解樹木。不能以個別樹皮的圖像來說明森林特征。應(yīng)當強調(diào)指出，當實驗方法的分辨力提高時，則所觀察的試樣面積的代表性是重要的問題。因為在一定面積的視場內(nèi)，能夠觀察到的試樣面積是與分辨力成反比的。分辨力高的實驗方法才能研究相應(yīng)的細節(jié)，而分辨力低的實驗方法便于研究材料的整體。這也就是樹木與森林的問題。（4）表象與真實從表面觀察到的各種圖像，如何獲得材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的真實情況，這是關(guān)于結(jié)構(gòu)的另一個共性的問題。首先，結(jié)構(gòu)的測定都是采用黑箱法，所以必須理解測量的原理；其次，要考慮上面所討論的樹木與森林的問題，即所觀察到的圖像是否典型及有無代表性的問題；第三，實驗中經(jīng)常有干擾與假象的問題，儀器、試樣和觀察者的故障與缺陷，都會導(dǎo)致假象。必須強調(diào)的是，材料科學(xué)主要以實驗科學(xué)研究為基礎(chǔ)，所以在實驗過程中所有不正確的方法和操作都會使實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)有偏差，甚至是假象。這是必須注意的。（5）量變與質(zhì)變（納米結(jié)構(gòu)的特性）在自然科學(xué)各個學(xué)科領(lǐng)域中，某一現(xiàn)象、某一事物從量變到質(zhì)變是一個普遍的規(guī)律，在現(xiàn)代納米材料中更為突出。。當固體微顆粒的尺寸逐步減小時，量的變化在一定條件下會引起理化性質(zhì)的質(zhì)變。例如，磁性超微粒子在尺寸小到一定范圍時，就會失去鐵磁性，而表現(xiàn)出順磁性，也稱為超磁性。在許多方面如光、電、熱及化學(xué)等性質(zhì)上表現(xiàn)出與大塊位置有明顯的差別，有時甚至是反常的。2.1.2材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般情況下，材料中單相平衡結(jié)構(gòu)都處于能量的谷值。材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和亞穩(wěn)定狀態(tài)都能穩(wěn)定存在，它們都處于能量的低谷。不過，亞穩(wěn)定高于穩(wěn)定，從亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到穩(wěn)定態(tài)不是自發(fā)的，需要借助于某種激活過程克服，激活能由能量起伏提供的。由于動力學(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué)的原因，亞穩(wěn)態(tài)是廣泛存在的。組織或結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指在一定條件下的相對穩(wěn)定性程度。不穩(wěn)定的因素是隨環(huán)境條件而變化的。2.1.3材料結(jié)構(gòu)的測定與表征材料結(jié)構(gòu)的測定和表征實際上有兩個工作系統(tǒng)，一個是材料，一個是人。對于材料來說，輸入是可見光及環(huán)境干擾，輸出是反射波構(gòu)成的圖像；對于人來說，輸入就是材料測試時所輸出的圖像信息，人們要利用所存儲的知識來進行判斷、表征，然后作出結(jié)論，即輸出。這是材料結(jié)構(gòu)測定方法的共性。這兩個工作系統(tǒng)的所有方法都有分辨力和環(huán)境干擾的問題?；瘜W(xué)組元含量的定性測定，最廣泛應(yīng)用的是化學(xué)分析?，F(xiàn)在快速的物理方法，如光譜法、X射線法等，逐步在取代傳統(tǒng)的化學(xué)分析法。如需要了解各相或局部區(qū)域的化學(xué)成分，進行定位分析，有直接和間接的兩種方法。間接法是采用化學(xué)的或電化學(xué)方法分離要分析的相，再進行一般的或微量的化學(xué)分析，并且可用X射線法確定相的結(jié)構(gòu)；直接法有示蹤原子法、電子探針、離子探針、俄歇能譜等。材料結(jié)構(gòu)的排列方式有各種層次。不同的層次有不同的測定方法，適用于不同的場合和滿足不同的要求。使用低倍光學(xué)顯微鏡可觀察斷口或剖面，是判斷金屬內(nèi)部組織的一種簡易的方法。從斷口可了解結(jié)晶組織晶粒大小及形狀、斷裂類型等；從剖面可看到內(nèi)部的宏觀缺陷，如氣孔、裂紋和夾雜物等，若剖面加以腐蝕，還可看到偏析、加工的纖維組織、表面處理的厚度等。如用高倍光學(xué)顯微鏡可觀察到晶粒及各相的大小和形狀，這是常用的測定方法。更微觀的層次則需要用X射線和電子顯微鏡了。對于通常意義上的微觀組織結(jié)構(gòu)的表征，有關(guān)參量很多，如第二相的形狀、大小、數(shù)量和分布等；晶粒的大小、形狀；夾雜物的類別、形狀、數(shù)量等。對于原子和電子的運動，為了表征這種運動特征，有許多的結(jié)構(gòu)參量。例如，德拜溫度是表征原子振動的一個重要參量，通過它可以計算原子的最高振動頻率。表征電子平動的重要結(jié)構(gòu)參量有禁區(qū)寬度及費米面形狀。任何與電子運動有關(guān)的性能，都可以通過測定某些參量來推算材料內(nèi)部的電子運動和電子結(jié)構(gòu)。2.1.4材料結(jié)構(gòu)的自組織與防生（1）材料的耗散結(jié)構(gòu)所謂的耗散結(jié)構(gòu)是指從環(huán)境輸入能量或（和）物質(zhì)，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷挠行驙顟B(tài)，即這種形態(tài)依靠不斷地耗散能量或（和）物質(zhì)來維持。非生命系統(tǒng)，這里主要指無生命的材料，熱力學(xué)第二定律的觀點認為它們是一個孤立系統(tǒng)，即它們與環(huán)境沒有能量和物質(zhì)的交換，通常可以用下列函數(shù)關(guān)系來表達：P=f（C，S，M）式中，P為材料的服役性能；C為材料的成分；S為材料的結(jié)構(gòu)；M為材料的組織形貌。因此，它們的系統(tǒng)內(nèi)部就不可能呈現(xiàn)生命的活性。如果通過眾多的通道，例如，化學(xué)的、物理的以及生物的手段為材料提供物質(zhì)和能量的輸運，就可以用下列函數(shù)關(guān)系來表達材料的仿生設(shè)計：P=φ（C，S，M，θ），θ為環(huán)境變量，它意味著環(huán)境向材料提供能量和物質(zhì)就可使“死”的材料變成“活”的材料。根據(jù)這種啟發(fā)，現(xiàn)在提出了金屬材料疲勞及性能恢復(fù)的仿生設(shè)計，模仿生物的機能恢復(fù)和創(chuàng)傷愈合，向服役的材料施加高密度電流脈沖，使其疲勞壽命等顯著提高。材料的制造及使用過程一般都不是一個孤立系統(tǒng)，應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)的概念，可以解釋許多材料科學(xué)中已知的現(xiàn)象，并且能給人以新思路的啟示。不銹鋼只在氧化性介質(zhì)中，由于環(huán)境提供氧而在不銹鋼表面形成鈍化膜保持不銹性。（2）材料的自組織現(xiàn)象自組織理論是系統(tǒng)科學(xué)的核心理論。自組織理論是指一個系統(tǒng)的要素按照彼此的相干性、協(xié)同性或某種默契而形成特定結(jié)構(gòu)與功能的過程。自組織過程不是按系統(tǒng)內(nèi)部或外部指令完成的，而是系統(tǒng)各要素協(xié)同運動的結(jié)果。自組織理論所描述揭示的耗散結(jié)構(gòu)、協(xié)同、循環(huán)、突變等過程，從不同側(cè)面科學(xué)而深刻地揭示了系統(tǒng)從無序走向有序的條件和機理，以及在遠離平衡條件下系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的過程。自然界中系統(tǒng)的演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成或有序化都是自組織的。自組織必須具備一定的環(huán)境和條件：開放系統(tǒng)；遠離平衡態(tài)；有隨機性漲落；非線性相互作用。材料的處理、加工過程可以說是自組織的。它是一個開放系統(tǒng)，與外界發(fā)生能量或物質(zhì)交換；將鋼鐵材料進行加熱或冷卻，其過程一般都是偏離平衡態(tài)，具有一定的過熱度或過冷度，相變過程才能自發(fā)地進行；漲落或起伏是對系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的偏離，材料變化過程中總是有濃度起伏、結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏、成分起伏等；非線性的作用可以把微小的“漲落”迅速放大而形成新的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)漲落、濃度漲落等的迅速放大就形成了新相晶核，從而發(fā)生相變。如奧氏體形成、珠光體分解、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體相變等都是系統(tǒng)自由焓非線性變化的結(jié)果，都是一個漲落、形核、新相長大的自組織過程。根據(jù)不同的外部條件和內(nèi)在因素，系統(tǒng)自己“能動”地組織而形成各種各樣組織結(jié)構(gòu)形態(tài)。如珠光體組織有片狀、細片狀、粒狀、針狀等多種子形態(tài)；馬氏體有板條狀、片狀、蝶狀、薄板狀、薄片狀、凸透鏡狀等，這些都是材料系統(tǒng)自組織的杰作。近10多年來，有關(guān)自組織理論的研究對材料科學(xué)產(chǎn)生了相當大的影響。材料科學(xué)中的反應(yīng)-擴散相變過程，材料疲勞過程產(chǎn)生的駐留滑移帶的位錯反應(yīng)-擴散模型，受中子、質(zhì)子等高能粒子輻照材料中結(jié)構(gòu)的變化等都屬于材料自組織現(xiàn)象。材料的自組織現(xiàn)象也稱為自適應(yīng)性。生物品種的存在取決于它們的動態(tài)能力，這些能力是自己養(yǎng)育（新陳代謝）、自診斷、自修復(fù)、自調(diào)整、自繁殖等，這些能力的產(chǎn)生是為了適應(yīng)環(huán)境的變化，所以通稱為自適應(yīng)。在材料中也有類似的現(xiàn)象。這種功能在材料科學(xué)中被歸納為所謂的“S特性”，即自診斷（self-diagnosis）、自調(diào)整（self-tuning）、自適應(yīng)（self-adaptive）、自恢復(fù)（self-recovery）和自修復(fù)（self-repairing）等。（3）材料結(jié)構(gòu)的仿生生物材料最顯著的特點是具有自我調(diào)節(jié)功能，就是說作為有生命的器官，生物材料能夠一定程度地調(diào)節(jié)自身的物理和力學(xué)性質(zhì)，以適應(yīng)周圍環(huán)境。有些生物材料還具有自適應(yīng)和自愈合能力。所以，如何從材料科學(xué)的觀點研究生物材料的結(jié)構(gòu)和功能特點，并且用以設(shè)計和制造先進復(fù)合材料，是當前國際上材料科學(xué)研究的一大熱點。2.2性能2.2.1基本特性材料性能的基本特性材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定外界條件下的行為。材料有多少行為，就會有多少性能。對于材料來說，一般情況下能定量地表示其行為的才是性能。性能定量化后，便于統(tǒng)計分析和比較。大部分性能的量都是有單位的（即量綱），只有少數(shù)性能沒有單位，是無量綱參量。通過性能的量綱分析，可以加深對性能的理解。由于材料在各種各樣的外界條件下服役，所以材料的性能種類也非常多，如表所列。（1）現(xiàn)象與本質(zhì)從表可以看出，材料的性能涉及到各種物理、力學(xué)、化學(xué)、工藝及工程等現(xiàn)象。從現(xiàn)象的本質(zhì)來看，同一材料的不同性能只是相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在不同的外界條件下所表現(xiàn)出來的不同行為。因此，一方面應(yīng)該去總結(jié)有關(guān)的個別性能的特殊規(guī)律，另一方面也應(yīng)該從材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)因和外因的辯證關(guān)系，去理解材料為什么會有這些性能。例如，既要研究材料的各種強度、塑性、韌性的特殊規(guī)律，又要應(yīng)用晶體缺陷理論去研究從變形到斷裂的普遍規(guī)律；既要建立與性能有關(guān)的各種表觀現(xiàn)象規(guī)律，又要探索這些現(xiàn)象的機理。又例如，涉及到材料內(nèi)部電子運動的電、光、磁、熱等現(xiàn)象的物理性能，可以在材料電子論的指導(dǎo)下得到物理本質(zhì)的統(tǒng)一。因此，現(xiàn)代材料科學(xué)工作者必須運用固體物理和固體化學(xué)的知識，才能從本質(zhì)上理解固體材料的各種性能所涉及的現(xiàn)象。（2）區(qū)分與聯(lián)系表將材料的性能分為許多種、類和小類只是為了學(xué)習(xí)和討論的方便，其實，材料的各種性能之間既有區(qū)別，又有聯(lián)系。因為對同一種材料而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一樣的，只是在不同的外界條件下有不同性能的行為。表中的復(fù)雜性能都是不同的簡單性能的組合，當然會聯(lián)系到其他性（3）復(fù)合與轉(zhuǎn)換將異質(zhì)、異性或異形的材料復(fù)合所形成的復(fù)合材料，可以具有組元材料所不具備的性能，這就是“復(fù)合”的效果。（X/Y）（Y/Z）=（X/Z）（4）主要與次要在材料的眾多性能中，必須根據(jù)具體情況，區(qū)分主要性能和次要性能。在一般情況下，首先要考慮材料的工藝性能，決定用什么方法生產(chǎn)材料和制造器件；其次是要滿足材料或器件在使用時的力學(xué)、物理或化學(xué)等方面的要求。材料性能的主要和次要，在某些情況下是可以轉(zhuǎn)變的。（5）常規(guī)與突變（納米材料性能）納米材料的尺寸被限制在100nm以下，這是一個由各種限域效應(yīng)引起的各種特性開始有相當大的改變的尺寸范圍。當材料或那些特性產(chǎn)生的機制被限制在小于某些臨界長度尺寸的空間之內(nèi)時，特性就會改變。2.3成分、組織結(jié)構(gòu)對性能的影響2.3.1結(jié)構(gòu)與性能的系統(tǒng)分析材料是一種系統(tǒng)，材料的性能就是系統(tǒng)的功能，也就是系統(tǒng)的輸出。而影響材料性能的外界條件，便是系統(tǒng)的輸入。因此，可以應(yīng)用系統(tǒng)功能的分析方法和觀點來進行研究。主要方法有黑箱法、相關(guān)法、過程法和環(huán)境法。（1）黑箱法材料科學(xué)中，有許多問題人們還不了解其過程或相互關(guān)系的機理。當內(nèi)部結(jié)構(gòu)或過程不能或不便了解時，為了研究只能從外部來認識過程，可采用黑箱法。黑箱法又稱為系統(tǒng)辨識。由于不知道其內(nèi)部的變化或結(jié)構(gòu)，認為它是一個“黑箱”，從輸入和輸出的實驗數(shù)據(jù)來理解性能或結(jié)果。如輸入為X，輸出為Y，從實驗可確定：Y=Kf（X）。黑箱法的特點是：A一定的適用范圍。應(yīng)用黑箱法所確定的關(guān)系式，要注意它們的適用范圍。例如，表示應(yīng)力-應(yīng)變的虎克定律只適用于彈性變形的范圍；當電壓很高時，反映電壓-電流關(guān)系的歐姆定律也需要修正。B物理意義不明確。一般來說，所得到的關(guān)系式無明確的物理意義。黑箱法只能表象地“解釋”問題，在一定范圍內(nèi)它能提供輸入與輸出之間的定量關(guān)系。C難于分析影響因素。它不能提出傳遞系數(shù)或性能的物理意義及影響因素，更不能提出改變性能的措施。D一般用歸納法得到關(guān)系式。（2）相關(guān)法眾所周知，材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間有著有機的對應(yīng)關(guān)系。對于所研究的性能σ，在已有理論的指導(dǎo)或大量實驗數(shù)據(jù)的啟示下，尋求與σ有關(guān)的結(jié)構(gòu)參量Si，然后建立σ與Si之間的經(jīng)驗關(guān)系式：σ=f（Si）i=1，2，…，n通過該關(guān)系式可以從Si計算σ，并且可通過工藝來改變Si，從而控制σ。相關(guān)法的特點是：A它是在已有的理論指導(dǎo)下或已有的實驗數(shù)據(jù)的啟示下進行相關(guān)處理的；B應(yīng)用統(tǒng)計分析方法得到相關(guān)系數(shù)，應(yīng)提出相關(guān)關(guān)系的可信度；C相關(guān)關(guān)系式可為性能控制方法提供選擇的基礎(chǔ)，也為理論分析提供依據(jù)；D相關(guān)關(guān)系式有一定的物理意義。（3）過程法相關(guān)法解決材料性能的現(xiàn)象問題，過程法則是深入到現(xiàn)象的本質(zhì)問題。過程法又稱為分析法，是由理論推導(dǎo)出物理或數(shù)學(xué)模型，由機理本質(zhì)去研究過程是如何進行的方法。相關(guān)法和過程法是相輔相成的，這符合人對自然客觀規(guī)律的認識運動。過程法既需要依賴、又需要說明大量的相關(guān)法研究的結(jié)果；而過程法的研究結(jié)果，不僅可加深對相關(guān)經(jīng)驗規(guī)律的理解，區(qū)分相關(guān)的真假與性質(zhì)，也可為解決材料性能的問題，提供新的、有效的措施和途徑。（4）環(huán)境法各種環(huán)境（化學(xué)的、熱學(xué)的、力學(xué)的等）因素對于材料性能的影響有兩種類型：（1）弱化———材料在環(huán)境條件的使用過程中，強度等材料的性能不斷地下降，使原來的安全設(shè)計成了不安全，可以發(fā)生材料的失效；（2）強化———材料從環(huán)境中消耗物質(zhì)或能量，形成耗散結(jié)構(gòu)，從而使強度等性能提高，增加了安全度，即強度等材料性能隨著時間而越來越高于原來的狀態(tài)。2.4合成制備及成分、性能對合成制備的影響2.5使用效能及成分、性能、組織結(jié)構(gòu)對使用效能的影響2.6成分對組織結(jié)構(gòu)的影響2.7理論、材料設(shè)計與工藝設(shè)計（軟件）材料設(shè)計是依據(jù)積累的經(jīng)驗、歸納的實驗規(guī)律和總結(jié)的科學(xué)原理制備預(yù)先確定目標性能材料的科學(xué)。2.7.1今后材料設(shè)計的特點（1）經(jīng)驗設(shè)計和科學(xué)設(shè)計并存與兼容。從長遠的觀點看，各結(jié)構(gòu)層次的理論將構(gòu)成具有指導(dǎo)材料設(shè)計功能的知識系統(tǒng)。然而，不管這一知識系統(tǒng)發(fā)展到何等程度，總存在大量尚未被理性化的經(jīng)驗和實驗規(guī)律，它們將會在材料設(shè)計中得到充分應(yīng)用。完全不依賴經(jīng)驗和不進行探索性實驗的材料設(shè)計在相當長的時期內(nèi)是不可能實現(xiàn)的。人們不可超越材料科學(xué)的水平，對材料設(shè)計提出不切實際的要求，而應(yīng)該一步一步地攀登。（2）材料設(shè)計將逐漸綜合化。隨著材料系統(tǒng)科學(xué)的逐步形成和發(fā)展，單一的結(jié)構(gòu)層次的材料設(shè)計必將逐步被多結(jié)構(gòu)層次設(shè)計所代替。單純的結(jié)構(gòu)設(shè)計必然轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相結(jié)合的綜合設(shè)計。（3）材料設(shè)計將逐步計算機化。計算機科學(xué)和材料科學(xué)將是材料設(shè)計的兩大支柱。人們可根據(jù)材料科學(xué)的知識系統(tǒng)將大量豐富的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果存儲起來，形成數(shù)據(jù)庫，如合金系相圖、合金系的熱力學(xué)性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)物理性質(zhì)等。隨著材料科學(xué)準確性的提高，又將出現(xiàn)基礎(chǔ)合金系的相結(jié)構(gòu)參數(shù)圖、相的主要性能圖等。具有實用性的各種專門材料設(shè)計系統(tǒng)將會相繼出現(xiàn)。2.7.2材料設(shè)計層次（1）微觀設(shè)計層次?？臻g尺度約1nm數(shù)量級，是電子、原子、分子層次的設(shè)計。（2）介觀設(shè)計層次。典型尺度約1μm數(shù)量級，材料被看作是連續(xù)介質(zhì)，是組織結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計。（3）宏觀設(shè)計層次。尺度對應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的成分、組織、性能和應(yīng)用的設(shè)計研究，是工程應(yīng)用層次的設(shè)計。不同層次所用的理論及方法是不同的，不同層次間常常是交叉、聯(lián)合的，不同層次的目的、任務(wù)及應(yīng)用也不盡相同。各層次的研究關(guān)鍵是根據(jù)基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)能否發(fā)展出符合實際的解析與數(shù)理模型，解決不同層次間計算方法的選擇與整合。材料設(shè)計在宏觀上是一個系統(tǒng)工程，建立成分、工藝、組織、性能及可靠性之間的數(shù)理模型是整個系統(tǒng)優(yōu)化和控制的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)計算機智能化設(shè)計材料的前提。材料科學(xué)將發(fā)展為材料系統(tǒng)科學(xué)，材料設(shè)計也必將是系統(tǒng)設(shè)計。不同結(jié)構(gòu)層次與不同性質(zhì)間的理論需要溝通，逐步形成有機聯(lián)系的知識體系。單一層次的設(shè)計必將被多層次設(shè)計所代替。多層次設(shè)計必須要建立多尺度材料模型（MultiscaleMaterialsModeling，簡稱MMM）和各層次間相互關(guān)聯(lián)的數(shù)理模型。2.7.3材料設(shè)計的主要途徑與方法（1）從相圖角度進行設(shè)計在金屬材料領(lǐng)域，這是大家比較熟悉的途徑。例如，根據(jù)Sn-Pb二元狀態(tài)圖來設(shè)計錫鉛焊料；根據(jù)Cu-Sn、Cu-Zn相圖設(shè)計青銅及黃銅；根據(jù)Al-Si-Mg相圖來設(shè)計鑄造鋁合金。在熱力學(xué)計算相圖方面，如高溫合金中評價σ相的生成條件也有比較好的進展。材料的研究與開發(fā)離不開相圖。無論是實測相圖還是計算相圖都是材料研究的基礎(chǔ)。而計算相圖又是人工智能材料設(shè)計的重要組成部分。很顯然，合金設(shè)計的過程首先是確定多相相平衡成分的過程。世界上進行合金相圖的研究已有100多年的歷史，編輯合金相圖集也有約半個世紀的歷史。由于合金相圖的特殊重要性，研究工作發(fā)展很快，并且由實驗實測發(fā)展到利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算相圖。但實測相圖仍然是獲得有實用價值相圖和獲得有關(guān)數(shù)據(jù)的基本方法。目前，許多國家已經(jīng)開發(fā)出了多種這樣的系統(tǒng)軟件，如美國的NBS/ASM、Manlabs數(shù)據(jù)庫，加拿大的FACT數(shù)據(jù)庫，歐洲的SGTE數(shù)據(jù)庫和瑞典的THERMO-CALC相平衡計算與數(shù)據(jù)庫等程序系統(tǒng)。相圖工作盡管取得了很大的成績，但直到現(xiàn)在為止，其相圖的數(shù)量仍然遠遠不能滿足要求，特別是三元系以上的相圖更少。所以，根據(jù)相圖來進行合金的設(shè)計有比較大的限制，困難也比較多。（2）從數(shù)量冶金學(xué)角度進行設(shè)計從材料工程應(yīng)用的角度，這是比較切實可行的。所謂數(shù)量冶金學(xué)，是建立在材料科學(xué)與工程基本模型的基礎(chǔ)上，以材料科學(xué)與工程的知識、技術(shù)為主體，融合計算機技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、現(xiàn)代科學(xué)方法論等學(xué)科所組成的一個交叉學(xué)科領(lǐng)域。其基本任務(wù)是進行金屬與合金設(shè)計、工藝過程及其質(zhì)量控制等方面的工作。簡單地說，就是進行金屬材料科學(xué)與工程中各個環(huán)節(jié)的定量化工作。從金屬材料的現(xiàn)狀來看，金屬材料已有上萬種牌號。這是多少年來材料工作者工程經(jīng)驗和研究探索的結(jié)果。由于受到科學(xué)和技術(shù)進步的限制，過去進行金屬與合金材料的研究以及開發(fā)的新材料，通常都是用“試錯法”、“加減冶金法”等。這些方法是利用人們積累的經(jīng)驗來進行研究的，其缺點是費工、費時，成本高，而且準確性差。盡管如此，這些工作深化了人們對金屬材料的認識，為合金設(shè)計提供了大量的資料，這是現(xiàn)在進一步開展研究的寶貴財富。目前的合金設(shè)計常常是利用回歸分析、主成分分析等數(shù)學(xué)方法以多項式的形式來表示。有兩種方式：一種是通過實驗實測數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計處理，借助于理論分析進行外推，由外推的優(yōu)化結(jié)果進行實驗，再將數(shù)據(jù)處理成數(shù)學(xué)模型；另一種是根據(jù)經(jīng)驗或理論分析，按照正交設(shè)計、回歸正交試驗和旋轉(zhuǎn)設(shè)計等試驗設(shè)計方法，把試驗結(jié)果處理成數(shù)學(xué)模型，由此找出最優(yōu)范圍構(gòu)成新材料設(shè)計的基礎(chǔ)。以上方法已經(jīng)把材料的成分—工藝—組織—性能—可靠性等要素聯(lián)系起來。這樣，在進行材料成分設(shè)計的同時，還必須優(yōu)化加工工藝過程，以達到控制組織、性能的目的。成分和工藝是不能分割的，兩者的共同作用決定了組織，從而也就決定了材料的最終使用性能，再加上服役條件（即環(huán)境因素），則內(nèi)外因綜合作用決定了零件的功能及其使用壽命。（3）基于量子理論的設(shè)計這是在材料物理科學(xué)的基礎(chǔ)上進行設(shè)計的。又稱為第一性原理計算，或“從頭算起”（abinitio）?；痉椒ㄓ泄腆w量子理論和量子化學(xué)理論。特別適用于原子級、納米級工程的材料，超小型器件用材料，電子器件材料等方面的計算設(shè)計。由于多粒子量子力學(xué)的計算，需要引入許多邊界條件，所以難以得到滿意的結(jié)果。計算機的發(fā)展，可處理數(shù)十個粒子的系統(tǒng)，但這和實際應(yīng)用還有很大的距離。盡管如此，從材料科學(xué)的角度進行材料設(shè)計的研究，可以從中引出許多材料設(shè)計的課題。例如，二元合金的配合。從物理化學(xué)角度解釋合金的配合，并用電負性和電子空位濃度來說明金屬間化合物的存在范圍。（4）基于物理、數(shù)值模擬的設(shè)計計算機模擬技術(shù)是材料設(shè)計科學(xué)中的一個分支。在20世紀80年代就進行了材料淬火過程的計算機模擬并建立了Metadex數(shù)據(jù)庫。在材料加工的各個過程都取得了比較大的成功。在國外，高強度微合金化鋼薄板的生產(chǎn)是全程計算機模擬控制。目前在材料計算設(shè)計領(lǐng)域中，主要進行了新材料開發(fā)過程中的一些現(xiàn)象的計算機模擬。對材料結(jié)構(gòu)和性能的計算機模擬一般由兩部分組成：A材料本身的模型化，它的結(jié)構(gòu)要受到兩個因素的制約，即結(jié)構(gòu)要盡量接近實驗觀察到的形態(tài)和受到計算機內(nèi)存和計算時間的限制。B對實驗觀察到的物理性質(zhì)及有代表性的特征進行模擬計算。分子動力學(xué)計算機模擬是研究復(fù)雜的凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。由于納米材料的晶體尺寸在納米量級，運用分子動力學(xué)計算機模擬納米材料的性質(zhì)是很有希望的。（5）多尺度材料模型與計算設(shè)計多尺度材料模型（MultiscaleMaterialsModeling）一般是由三個不同尺度的模型組成，即連續(xù)介質(zhì)和介觀層次、微觀層次及原子層次材料模型。材料的性質(zhì)，特別是力學(xué)性能，通常與多種尺度的過程相關(guān)聯(lián)。各個尺度間強烈的相互關(guān)系形成了材料所表現(xiàn)的各種宏觀行為，所以這些行為的物理本質(zhì)就具有多尺度性。而且也只有從微觀到宏觀的系統(tǒng)研究，才可能真正地揭示材料過程的本質(zhì)，從而達到控制與設(shè)計材料的目的。大約三四十年前人們就認識到必須從多層次上采用系統(tǒng)科學(xué)的方法來研究材料的性質(zhì)和行為。但多尺度材料模型的定義、目標及可行性是近幾年才正式提出，并開展研究。盡管時間短，但已經(jīng)成為一個新的跨學(xué)科的研究領(lǐng)域。MMM實驗室也在世界各個大學(xué)和研究所迅速成立。建立多尺度材料模型的目的在于跨越不同層次的模型及模擬方法間存在的不連續(xù)性，在傳統(tǒng)的單一尺度模型研究的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)低尺度的物理細節(jié)，例如原子和電子層次，與連續(xù)介質(zhì)模型的關(guān)聯(lián)。多尺度材料模型的研究是跨學(xué)科的。2.7.4材料（計算）設(shè)計的主要技術(shù)（1）材料數(shù)據(jù)庫和知識庫技術(shù)數(shù)據(jù)庫是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一門新興技術(shù)。材料數(shù)據(jù)庫和知識庫是以存取材料知識和數(shù)據(jù)為主要內(nèi)容的數(shù)值數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫一般應(yīng)包括材料的性能及一些重要參量的數(shù)據(jù)，材料成分、處理、試驗條件以及材料的應(yīng)用與評價等內(nèi)容。知識庫主要是材料成分、組織、工藝和性能間的關(guān)系以及材料科學(xué)與工程的有關(guān)理論成果。它是實現(xiàn)人工智能的基本條件。實際上知識庫就是材料計算設(shè)計中的一系列數(shù)理模型，用于定量計算或半定量描述的關(guān)系式。數(shù)據(jù)庫中存儲的是具體的數(shù)據(jù)值，它只能進行查詢，不能推理，就像倉庫一樣。而知識庫中存儲的是規(guī)則、規(guī)律，通過數(shù)理模型的推理、運算，以一定的可信度給出所需的性能等數(shù)據(jù)；也可利用知識庫進行成分和工藝控制參量的計算設(shè)計。利用數(shù)據(jù)庫和知識庫可以實現(xiàn)材料性能的預(yù)測功能和設(shè)計功能，達到設(shè)計的雙向性。（2）材料設(shè)計專家系統(tǒng)材料設(shè)計專家系統(tǒng)是指具有相當數(shù)量的與材料有關(guān)的各種背景知識，并能運用這些知識解決材料設(shè)計中有關(guān)問題的計算機程序系統(tǒng)。傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)主要有優(yōu)化模塊、集成化模塊、知識獲取模塊。最理想的專家系統(tǒng)是從基本理論出發(fā)，通過計算和邏輯推理預(yù)測未知材料的性能和制備方法。但由于影響材料的組織結(jié)構(gòu)和性能的因素極其復(fù)雜，這種完全演繹式的專家系統(tǒng)還難以實現(xiàn)。目前的專家系統(tǒng)是以經(jīng)驗知識和理論知識相結(jié)合為基礎(chǔ)的。材料設(shè)計專家系統(tǒng)主要有三類：A以知識檢索、簡單計算和推理為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)。B智能專家網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這是以模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)。模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是處理受多種因子影響的復(fù)雜數(shù)據(jù)集、用于總結(jié)半經(jīng)驗規(guī)律的有力工具。C以計算機模擬和計算為基礎(chǔ)的材料設(shè)計專家系統(tǒng)。在對材料的物理、化學(xué)基本性能已經(jīng)了解的前提下，有可能對材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進行計算機模擬或用相關(guān)的理論進行計算，以預(yù)測材料性能和工藝方案。（3）材料計算設(shè)計中的計算機模擬計算機模擬是利用計算機對真實的材料系統(tǒng)進行模擬“實驗”，提供實驗結(jié)果和指導(dǎo)新材料研制，是材料設(shè)計的有效方法之一。（4）基于數(shù)據(jù)采掘的半經(jīng)驗材料設(shè)計材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系和材料制備或加工過程控制是材料研究開發(fā)的共同問題。由于這些問題涉及的體系非常復(fù)雜，所以用解析方法很難得到解決，而相似理論、量綱分析和無量綱參數(shù)往往有用武之地。主要的方法是：A盡可能根據(jù)理論知識設(shè)計出能描述研究對象的多個無量綱數(shù)或參數(shù)，以其為坐標軸張成多維空間，作為研究半經(jīng)驗規(guī)律的工具；B將大量的實測數(shù)據(jù)或經(jīng)驗知識記入上述多維空間，考查多維空間中數(shù)據(jù)樣本分布規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，并用以預(yù)測未測、解決實際問題。利用這些軟件可以預(yù)測合金相，預(yù)報材料性能和合金相圖特征量，可以優(yōu)化材料制備工藝，進行輔助實驗探索和輔助智能加工等。2.7.5數(shù)學(xué)方法在材料（計算）設(shè)計中的應(yīng)用數(shù)學(xué)是科學(xué)技術(shù)中一門重要的基礎(chǔ)性學(xué)科，在長期的發(fā)展過程中，它不僅形成了自身完美、嚴謹?shù)睦碚擉w系，而且成為其他科學(xué)技術(shù)必需的研究手段和工具。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)學(xué)的科學(xué)地位發(fā)生了巨大的變化?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)在理論上更加抽象，方法上更加綜合、更加精細，應(yīng)用上也更加廣泛。數(shù)學(xué)與材料科學(xué)交融產(chǎn)生了許多新的生長點，數(shù)學(xué)直接為材料科學(xué)中非線性現(xiàn)象的定性和定量分析提供了精確的語言，有利于從理論的高度研究材料的內(nèi)在規(guī)律。現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法的科學(xué)嚴謹?shù)奶攸c將為材料優(yōu)化設(shè)計、熱應(yīng)力計算、斷裂分析、數(shù)值模擬以及結(jié)構(gòu)表征、缺陷分析等許多方面提供強有力的研究工具，也為材料科學(xué)目前遇到的大量無規(guī)律、非線性的復(fù)雜問題提供解決辦法的新思路，今后將會得到更為廣泛的應(yīng)用。主要方法有：有限元法、遺傳算法、分形理論、小波分析、拓撲學(xué)等。2.8材料失效分析（補充1）2.9材料使用與環(huán)境評價方法、協(xié)調(diào)性設(shè)計（補充2）三．材料研究發(fā)展趨勢、特點及思路材料科學(xué)有三個重要特點：一是多學(xué)科交叉，它是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、無機非金屬材料、高分子化學(xué)及計算科學(xué)相互融合與交叉的結(jié)果；二是與實際使用密切結(jié)合，發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開發(fā)新材料，提高材料性能，合理使用材料，同時降低材料成本和減少環(huán)境污染等；三是正在發(fā)展中，它不像物理、化學(xué)等學(xué)科已經(jīng)有了一個很成熟的體系，材料科學(xué)將隨著各相關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到不斷的充實和完善。1.材料學(xué)科的交叉和滲透（具體及包括其他學(xué)科的影響導(dǎo)出部分2）（1）三大材料的交叉，衍生出許多的復(fù)合材料；（2）基礎(chǔ)學(xué)科向各材料學(xué)科的交叉和滲透；（3）各材料學(xué)科之間的相互滲透、移植與借鑒；（4）在制造技術(shù)上也是互相滲透、移植和借鑒；（5）新技術(shù)在各類材料中都得到廣泛應(yīng)用。2.學(xué)科趨勢（系統(tǒng)本體情況）（1）各類材料逐步趨向統(tǒng)一隨著人們對材料本質(zhì)認識的深化，發(fā)展新材料已逐步擺脫炒菜式的老經(jīng)驗，而要依賴于材料的設(shè)計。各類材料逐步統(tǒng)一。各類材料的嚴格區(qū)分逐漸在減小或消失。無論是金屬材料、還是無機非金屬材料或是有機高分子材料，它們的原子排列都會出現(xiàn)晶態(tài)、非晶態(tài)和微晶態(tài)（納米級）幾種基本狀態(tài)。各類材料相互取代、補充，相互競爭。各類材料的一些原理相通，分析測試手段相同。（2）材料的發(fā)展和應(yīng)用是系統(tǒng)工程（材料設(shè)計）通過模型（六面體）可以進行材料設(shè)計或工藝設(shè)計，以達到提高性能及使用效能、節(jié)約資源、減少污染及降低成本的最佳狀態(tài)。材料設(shè)計可以從電子、光子出發(fā)，也可以從原子、原子集團現(xiàn)代材料科學(xué)與工程的四元關(guān)系出發(fā)，可以從微觀、顯微到宏觀，視具體要求的性能而定。為實現(xiàn)材料設(shè)計，必須開展深入的基礎(chǔ)研究，以了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫，建立正確的物理和數(shù)學(xué)模型，重要的是各學(xué)科人員之間的通力合作。這是材料科學(xué)與工程最終努力的目標。以往發(fā)展新材料只注重材料的成分，而忽視了工藝或兩者分離。新材料的突破往往依賴于材料加工的技術(shù)突破。（3）科學(xué)與工程的全面融合現(xiàn)在是按照高技術(shù)產(chǎn)品的特點要求來開拓新性能、設(shè)計新材料及制造新工藝。對此往往無現(xiàn)成的經(jīng)驗可以依靠，所以必須依賴于現(xiàn)代儀器、基本理論以及計算機模擬等技術(shù)來解決問題。從這點上說，科研、開發(fā)和生產(chǎn)的有機結(jié)合是發(fā)展新材料的有效的道路?，F(xiàn)代材料科學(xué)與工程的特點是科學(xué)的技術(shù)化，技術(shù)的科學(xué)化?？茖W(xué)和技術(shù)在材料研究，特別是新材料的研究開發(fā)過程中是密切聯(lián)系和有機結(jié)合的。（4）多學(xué)科和跨學(xué)科材料科學(xué)與工程研究的是包羅萬象的各種材料，探討它們的成分、組織結(jié)構(gòu)、合成和加工技術(shù)、物理和化學(xué)等各項性質(zhì)及其應(yīng)用之間的關(guān)系，涉及科學(xué)和工程的各個側(cè)面，從而決定了它必然是多學(xué)科和跨學(xué)科的。當今的材料時代對于材料工作者、科學(xué)家和工程師提出了越來越高的要求，要求他們具備廣闊的知識、深入的理論修養(yǎng)和豐富的實際經(jīng)驗。科學(xué)方法的跨學(xué)科應(yīng)用在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展過程中將越來越多。宏觀事物具有統(tǒng)一性，所以不同學(xué)科之間存在著一定的共性和相似性。科學(xué)作為一個有機的整體，在各學(xué)科、各方向中存在著相互滲透和相互支撐的密切關(guān)系?，F(xiàn)代科學(xué)的細致分工，使一個學(xué)科的研究方法得以發(fā)展得非常細，其他學(xué)科直接或間接地加以借鑒運用，實際上是一種思維方法的復(fù)制。“他山之石，可以攻玉”。借鑒和應(yīng)用其他學(xué)科的科學(xué)方法和研究新進展，可省去在本學(xué)科體系內(nèi)從頭發(fā)展類似的方法，從而達到事半功倍的效果。近年來，材料學(xué)的發(fā)展得益于物理、化學(xué)、力學(xué)和信息科學(xué)等學(xué)科的理論、方法與研究手段向材料學(xué)的滲透，借助于這些學(xué)科的成果使材料科學(xué)逐漸向精密科學(xué)過渡，并進入到現(xiàn)代自然科學(xué)的前沿。組織交叉學(xué)科研究是材料科學(xué)有所突破的必由之路。物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、計算數(shù)學(xué)、化工、電子、機械、環(huán)境、能源等各類知識的融合與運用，成為當今材料科學(xué)與工程進展的新突破的重要特征，材料科學(xué)與工程是一門充滿生機、正在發(fā)展中的理工兼容的學(xué)科。（5）新思維、新方法、新發(fā)現(xiàn)和新理論不斷產(chǎn)生新材料的發(fā)展不僅是科技進步、經(jīng)濟發(fā)展、軍事先進的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也改變著人們的思維方式和實踐方式，推動著社會的進步。許多新材料開發(fā)的思路、研究與應(yīng)用的過程本身就孕育著嶄新而深刻的認識論與方法論，不斷地產(chǎn)生新理論和新發(fā)現(xiàn)。（6）綠色材料科學(xué)技術(shù)新材料的發(fā)展，無論是金屬材料、無機非金屬材料還是有機高分子材料等研究開發(fā)，都與資源、能源及環(huán)境密切相關(guān)。為確保人類社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，必須發(fā)展綠色材料科學(xué)技術(shù)?，F(xiàn)代材料的發(fā)展不僅要求材料有優(yōu)異的性能，而且要求材料的制造、使用和廢棄的整個生命周期都應(yīng)與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)。為此20世紀90年代初提出了環(huán)境意識材料、生態(tài)環(huán)境材料、綠色材料、環(huán)境友好材料、發(fā)展綠色材料科學(xué)技術(shù)等，并且特別重視發(fā)展綠色化學(xué)—化工。研究和開發(fā)新材料及其產(chǎn)業(yè)化時必須從微觀和宏觀結(jié)合的要求出發(fā)，把材料的化學(xué)成分與物理結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、使用性能、制備及加工，以及環(huán)境與資源等因素進行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，走可持續(xù)發(fā)展的道路。3.材料思維方法（1）歸納與演繹法推理是根據(jù)一個或一些判斷得到另一個判斷的思維形式。可以從不同的角度對推理進行分類，根據(jù)前提與結(jié)論之間的聯(lián)系特征，分為歸納法和演繹法兩大類。歸納法是前提與結(jié)論之間有或然性聯(lián)系的推理，歸納是從特殊到一般；演繹法是前提與結(jié)論之間有必然性聯(lián)系的推理，演繹是從一般到特殊，其大前提多是一般性原理或公理。（2）分析與綜合法分析就是把研究對象分解成幾個組成部分，然后分別加以研究，從而認識事物的基礎(chǔ)或本質(zhì)的一種科學(xué)研究方法。分析方法是以客觀事物的整體與部分的關(guān)系為客觀基礎(chǔ)的。事物的各種屬性、部分或關(guān)系從不同方面表現(xiàn)了事物的整體性?？陀^事物中的整體和部分之間的關(guān)系使分析方法成為可能和必要。分析方法在思維方式上的特點，在于它從事物的整體深入到它的各個組成部分，通過深入地認識事物的各個組成部分來認識事物的內(nèi)在本質(zhì)或整體規(guī)律?；旧嫌腥齻€環(huán)節(jié)：A把整體加以“解剖”，從整體中按照一定特性分離出各個部分；B深入分析各個部分的特殊本質(zhì)，這是分析方法的重要環(huán)節(jié)；C進一步分析各個部分的相互聯(lián)系、相互作用的情況，了解它們各自在整體中的地位、作用，了解各個部分之間的相互作用的規(guī)律。由于分析方法具有以上特點，所以它在科學(xué)認識發(fā)展中具有重要的意義。它使科學(xué)認識從一個層次發(fā)展到更加深入的層次，它是使現(xiàn)象的認識進入到本質(zhì)認識的重要條件。分析方法幾乎貫穿于科學(xué)研究的全過程，并且滲透到所有的研究方法中。綜合的作用與特點綜合方法與分析方法相比，兩者認識過程的方向是完全相反的。所謂綜合方法，就是把研究對象的各個部分聯(lián)系起來加以研究，從而在整體上把握事物的本質(zhì)和規(guī)律的一種科學(xué)研究方法。綜合方法在思維方式上的特點是，它把事物的各個部分聯(lián)結(jié)為整體時，力求通過全面掌握事物各部分、各方面的特點以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，然后加以概括和上升，從事物各部分及其屬性、關(guān)系的真實聯(lián)結(jié)和本來面目，復(fù)現(xiàn)事物的整體，綜合為多樣性的統(tǒng)一體。（3）類比與移植法類比法是指通過兩個或兩類事物或現(xiàn)象進行比較，根據(jù)相似點或相同點推論出它們的其他屬性或規(guī)律，也可能有相似點或相同點的結(jié)論。這是以比較為基礎(chǔ)，既包含從特殊到特殊，又包含從一般到一般的邏輯思維方法。類比法根據(jù)不同特點有數(shù)學(xué)相似類比法，因果類比法，綜合類比法，對稱類比法，剩余類比法等幾種類型。因果類比法是根據(jù)兩個對象的各自屬性之間都可能具有同一種因果關(guān)系而進行推理的。該方法的結(jié)論有比較好的可靠性，但這種特殊對象的因果關(guān)系不一定適合另一個特殊對象，所以它仍然是一種或然性的推理。對稱類比法是根據(jù)對象的屬性之間具有對稱性而進行的推理。其結(jié)論往往比因果類比的可靠性程度高，當然它也是屬于或然性的推理。數(shù)學(xué)相似類比法是根據(jù)對象的屬性之間具有某種確定的函數(shù)變化關(guān)系來進行推理的。它可以定量地描述屬性之間的關(guān)系，可靠性程度比較高。綜合類比法是根據(jù)對象屬性的多種關(guān)系的綜合相似而進行的推理。綜合類比法由于是根據(jù)屬性的多種關(guān)系來研究的，所以其結(jié)論基本上是可靠的。但實際上也不可能把所有的關(guān)系都綜合進去，因此有時也會帶有或然性。所謂移植方法是指將某學(xué)科的原理、方法或技術(shù)等應(yīng)用于研究和解決同一學(xué)科內(nèi)的分支科學(xué)或其他學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的理論、技術(shù)或方法問題，又稱為轉(zhuǎn)域創(chuàng)造法。它是通過橫向、縱向聯(lián)想和類比等方法進行的。所以移植法和類比法、聯(lián)想法有密切的聯(lián)系或相似。移植方法的特點是：A移植方法具有顯著的創(chuàng)新性。移植不是機械照搬，這中間需要運用類比法、科學(xué)概念、綜合方法、系統(tǒng)方法及科學(xué)想象力等多種創(chuàng)造性方法。B移植方法具有綜合性。只有對該學(xué)科的研究成果和其他學(xué)科的情況有比較深的領(lǐng)悟，才能科學(xué)地運用移植法。移植方法也可以分成幾種類型：A技術(shù)移植創(chuàng)新法，技術(shù)移植可以發(fā)明新技術(shù)、新產(chǎn)品；B原理移植創(chuàng)新法，適用于科學(xué)原理相同的情況；C方法移植創(chuàng)新法，將某學(xué)科內(nèi)的某種方法應(yīng)用到另一學(xué)科中去；D綜合移植創(chuàng)新法，多學(xué)科的多種研究成果綜合地移植到另一學(xué)科。這方法有比較大的難度，中間要經(jīng)過理論思維、綜合分析和重新組合等過程。其他還有結(jié)構(gòu)移植創(chuàng)新法、縱（橫）向移植法等類型。（4）數(shù)學(xué)與模型法數(shù)學(xué)方法是揭示研究對象的本質(zhì)特征和變化規(guī)律的一種方法，是解決科學(xué)技術(shù)常用的，也是最重要的方法。具體說來，數(shù)學(xué)方法是運用數(shù)學(xué)所提供的概念、理論和對研究對象進行數(shù)量、結(jié)構(gòu)等方面的定量的分析、描述和推導(dǎo)及計算，以便從量的概來對研究的問題作出分析、判斷，認識事物變化的本質(zhì)規(guī)律。數(shù)學(xué)方法在科學(xué)技術(shù)研究中的作用主要有：為科學(xué)研究提供簡潔精確的形式化語言，用來描述問題、表達科學(xué)內(nèi)容；為科學(xué)研究提供數(shù)量分析和計算的手段與技巧，達到精確把握事物的本質(zhì)特點和變化規(guī)律的目的；為科學(xué)研究提供可靠的邏輯推理和證明的工具，以便能作出科學(xué)預(yù)見，把握感性經(jīng)驗以外的客觀世界。在材料科學(xué)中，研究微觀粒子運動規(guī)律的量子力學(xué)，就是在獲得了非歐幾何、希爾伯特空間等數(shù)學(xué)工具后才發(fā)展起來的，現(xiàn)代興起的材料計算學(xué)中的第一性原理計算就是建立在量子力學(xué)和量子化學(xué)等基礎(chǔ)上的。模型化方法模型化（Modeling）是用適當?shù)奈淖?、圖表和數(shù)學(xué)方程來表述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為的一種科學(xué)方法。系統(tǒng)模型化是系統(tǒng)分析過程中的一個重要環(huán)節(jié)。其中數(shù)學(xué)模型方法就是通過建立和研究客觀對象的數(shù)學(xué)模型來描述和揭示事物本質(zhì)特征和變化規(guī)律的一種方法。它是解決科學(xué)技術(shù)問題最常用和最重要的研究方法。作為數(shù)學(xué)模型，一般須具備以下條件：A既要反映現(xiàn)實原型的本質(zhì)特征和關(guān)系，又要加以合理的簡化；B要能夠?qū)λ芯康膯栴}進行理論分析，邏輯推導(dǎo)，并能得出確定的解；C求得的解要能回到具體研究對象中去，解決實際問題。像其他事物分類一樣，根據(jù)不同的目的、內(nèi)容，從不同的角度其分類也不同。按建立模型的方法有理論型，經(jīng)驗型；按變量性質(zhì)分類有確定性和隨機性型；按函數(shù)關(guān)系分，有線性和非線性型；還有其他方法的分類。這里簡單介紹理論模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。模擬亦稱為仿真（Simulation），是模型化的繼續(xù)。有了模型后，還必須采用一定的模擬方法，對這初步的模型進行測試、計算或試驗。通過模擬，可以獲得問題的解答或改進模型。模擬基本上可以分為三類：幾何模擬，用放大或縮小的方法制備與系統(tǒng)原型相同的模型；數(shù)字模擬，對于建立的數(shù)學(xué)模型，可以用計算機等方法進行計算模擬；物理模擬，采用類比或相似等方法進行模擬試驗。（5）系統(tǒng)與優(yōu)化法系統(tǒng)是由若干相互聯(lián)系、相互作用的要素組成的，具有特定功能的有機整體。系統(tǒng)方法就是從系統(tǒng)整體的觀點出發(fā)，從系統(tǒng)與要素之間，要素與要素之間，以及系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互聯(lián)系、相互作用中考察對象，以達到最優(yōu)化地處理問題的科學(xué)方法。原則：A整體性。整體是由部分組成的，是有機的結(jié)合，其本質(zhì)是整體與部分的統(tǒng)一，整體的功能不等于它的各個組成部分功能的總和。系統(tǒng)具有各個組成部分所沒有的新功能，但是系統(tǒng)的功能又是由內(nèi)部要素相互聯(lián)系、相互作用的方式所決定的。B最優(yōu)化。最優(yōu)化就是從多種可能的途徑中，選擇出最優(yōu)的系統(tǒng)方案，使系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)，達到最優(yōu)效果。實際上最優(yōu)化就是自然界物質(zhì)系統(tǒng)發(fā)展的一種必然趨勢。以生物系統(tǒng)來說，在長期的生物進化過程中，各種生物都形成了最好地適應(yīng)周圍環(huán)境的精巧完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和最優(yōu)的整體功能。（6）假說與理論法科學(xué)假說的特點和作用在科學(xué)研究過程中，在通過觀察和實驗獲得事實數(shù)據(jù)材料的基礎(chǔ)上，進行理性思維的和概括，對所研究的對象提出帶假定性的解釋和說明，即科學(xué)假說?？茖W(xué)假說和科學(xué)理論是自然科學(xué)研究發(fā)展的重要形式，它們不僅是科學(xué)研究活動的一般成果，而且是科學(xué)研究過程的重要環(huán)節(jié)和基本方法?？茖W(xué)假說也就是根據(jù)已知的科學(xué)原理和科學(xué)事實，對未知的自然現(xiàn)象及規(guī)律性所作出的一種科學(xué)假定性說明。一般有兩個特點。A假說以一定的科學(xué)事實和已知的科學(xué)知識為依據(jù)，具有科學(xué)性。B假說帶有一定的想象、推測的成分，所以具有或然性?？茖W(xué)假說的基本特點決定了它在科學(xué)認識過程中具有兩方面的作用。A科學(xué)假說在科學(xué)觀察和實驗中具有先導(dǎo)作用。（2）科學(xué)假說在科學(xué)理論的形成和發(fā)展過程中起著橋梁的作用。從假說的基本特點來看，提出科學(xué)假說須遵循如下四條方法論的原則。A解釋原則；B對應(yīng)原則；C簡單性原則；D可檢驗性原則?？茖W(xué)理論是從科學(xué)實踐中抽象出來，又為科學(xué)實踐所證實，反映客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律的概括性知識體系?？茖W(xué)理論具有如下基本特征。A內(nèi)容上的客觀真理性。B結(jié)構(gòu)上的邏輯完備性。C功能上的科學(xué)預(yù)見性?？茖W(xué)理論的邏輯結(jié)構(gòu)由三個邏輯要素組成：基本概念、基本原理或定律和邏輯結(jié)論。從科學(xué)理論的方法結(jié)構(gòu)來看，它也由三個要素組成：抽象模型工具、概念語言工具和數(shù)學(xué)工具。抽象模型工具是表達科學(xué)理論的核心部分，是揭示和表征客體本質(zhì)的近似圖像。模型不僅是以專業(yè)術(shù)語形式的概念語言來描述和表達的，而且是以數(shù)學(xué)形式來表達的。概念語言工具是建立的專門術(shù)語和語言的總和，是建立理論體系的過程中聯(lián)系思想模型和經(jīng)驗材料之間的思維工具和形式。（7）原型啟發(fā)與仿生法原型啟發(fā)法，主要是對自然現(xiàn)象進行觀察、探索受到啟發(fā)來進行科學(xué)研究和創(chuàng)造發(fā)明的。啟發(fā)是從其他事物、現(xiàn)象中得到啟示后，找出解決某一問題的途徑。起啟發(fā)作用的事物稱為原型。如自然現(xiàn)象、日常生活、日常用品等都可以成為原型。仿生法實際上是指原型啟發(fā)法中的原型為自然界的動植物或自然現(xiàn)象。原型啟發(fā)法的原理和方法如圖：4.材料研究的模型化與模擬科學(xué)研究的根本目的在于認識世界、改造世界。然而，現(xiàn)實世界的絕大部分規(guī)律既不那么顯而易見，也不那么簡單，以至于如果我們不借助抽象概念就難以把握世界的本質(zhì)規(guī)律。科學(xué)抽象意味著借助模型來研究現(xiàn)實世界某一方面的規(guī)律。設(shè)計和建立模型的過程被認為是模型化中的基本步驟和最重要的環(huán)節(jié)。模型化作為經(jīng)典的科學(xué)研究方法，將真實情況簡單化處理，建立一個反映真實情況本質(zhì)特性的模型，并進行公式化描述。所以，抽象化建立模型可以認為是提出理論的開始。應(yīng)該指出，就模型的建立而言，不存在嚴格而統(tǒng)一的方法，尤其在材料科學(xué)研究領(lǐng)域，所處理的是各種不同的尺度范圍和不同的物理過程。“模型化（modeling）”和“模擬（simulation）”常被人為地區(qū)分開來，實際上這兩個詞可以簡單地當作同義詞使用。從現(xiàn)行科學(xué)意義上理解，“模型化”即模型公式化和數(shù)值模型化。后者經(jīng)常被看作數(shù)值模擬的同義詞使用。4.1材料研究的模型化4.1.1模型化的基本概念（1）大于原子尺度的模型化就建立微結(jié)構(gòu)演化模型來說，最理想的方法可能就是求解所研究材料的所有原子的運動方程。這一方法能給出所有原子在任一時刻的位置坐標和速度，也就是說，由此可預(yù)測微結(jié)構(gòu)的時間演化。在這種模擬方法中，構(gòu)造模型所需要的附加經(jīng)驗性條件越少，其對原子之間相互作用力的描述就越詳盡。當所研究的尺度為連續(xù)體近似時，與在原子尺度上的從頭計算方法相比，其模型在本質(zhì)上包含有唯象理論的成分，并且超出原子尺度越遠，其模型中的唯象成分就越多。原子方法主要用于納米尺度范圍的微結(jié)構(gòu)模擬，而對介觀和宏觀系統(tǒng)，由于含有1023個以上原子數(shù)目，要應(yīng)用原子方法進行處理是非常困難的。就目前而言，即便采用球?qū)ΨQ型原子對勢，原子模擬方法也只能處理到最多108個原子。因此，對于大于納觀尺度的微結(jié)構(gòu)進行模型化時，應(yīng)考慮連續(xù)體模型。由于實際微結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以要在連續(xù)體尺度上，選擇能夠準確刻畫微結(jié)構(gòu)特征的因變量，將是一件艱巨而重要的任務(wù)。原子方法主要用于納米尺度范圍的微結(jié)構(gòu)模擬，而對介觀和宏觀系統(tǒng)，由于含有1023個以上原子數(shù)目，要應(yīng)用原子方法進行處理是非常困難的。為了獲得關(guān)于微結(jié)構(gòu)的合理而簡單的模型，首先要對所研究的真實系統(tǒng)進行實驗觀察，由此推導(dǎo)出合乎邏輯的、富有啟發(fā)性的假說。根據(jù)已獲得的物理圖像，通過包括主要物理機制在內(nèi)的唯象本構(gòu)性質(zhì)，就可以在大于原子尺度的層次上對系統(tǒng)特性進行描述。唯象構(gòu)想只有轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型時才有實用價值。轉(zhuǎn)換過程要求定義或恰當選擇相應(yīng)的自變量（亦稱為獨立變量，independentvariables）、因變量（dependentvariableorstatevar-iable），并進而確立運動方程、狀態(tài)方程、演化方程、物理參數(shù)、邊界條件和初值條件以及對應(yīng)的恰當算法，見下表。（2）自變量與因變量根據(jù)定義，自變量可以自由選取。在近來發(fā)展起來的高級微結(jié)構(gòu)模型中，一般把時間和空間坐標作為自變量。因變量是自變量的函數(shù)。如不考慮它們的歷史，因變量的取值決定了系統(tǒng)在任一時刻所處的狀態(tài)。在經(jīng)典熱力學(xué)中，因變量分為廣延變量（與質(zhì)量成正比）和強度變量（與質(zhì)量無關(guān)）。在微結(jié)構(gòu)力學(xué)中，還經(jīng)常作進一步的區(qū)分，例如分為顯含因變量和隱含因變量。顯含因變量是表示占有空間的微結(jié)構(gòu)性質(zhì)的一類量，諸如粒子或晶粒大??；隱含因變量則表示了介觀或宏觀平均值。但因變量太多，就使得物理模型變成了經(jīng)驗性的多項式模型。材料種類及其制造過程是很復(fù)雜的，大部分難以找到簡明的描述方式，所以在工業(yè)領(lǐng)域多變量模型化方法很有用，有時還是必要的。盡管如此，多變量方法對于從物理本質(zhì)角度來說是一種并不理想的方法。因此，本構(gòu)模型化的關(guān)鍵問題就是在可調(diào)參數(shù)和具有明確物理意義的因變量之間尋找到一種“平衡”。（3）運動學(xué)方程和狀態(tài)方程對固體來說，運動學(xué)方程常用于計算一些相關(guān)參數(shù)，例如應(yīng)變、應(yīng)變率等。運動學(xué)約束條件常常是由樣品制造過程和研究時的實驗過程所施加的。通過狀態(tài)方程可以把材料的性質(zhì)與因變量的實際取值聯(lián)系起來，諸如電阻、屈服應(yīng)力、自由焓等。由于因變量通常是自變量的函數(shù)，所以狀態(tài)方程的值也依賴于自變量。狀態(tài)方程是與路徑無關(guān)的函數(shù)。這就意味著，在不計因變量初值和演化歷史時，由狀態(tài)方程提供了計算材料性質(zhì)的基本方法。關(guān)于狀態(tài)方程的基本參數(shù)值，可以通過模擬和實驗導(dǎo)出。通常，微結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程可以把材料的內(nèi)部和外部變化的響應(yīng)定量化，即不同的狀態(tài)方程表示了材料的不同特性。（4）各種參數(shù)狀態(tài)方程的因變量具有以各種參數(shù)為基礎(chǔ)的加權(quán)平均性質(zhì)，并要求具有一定的物理意義和經(jīng)得起實驗或理論的檢驗。無論哪一種模擬方法，要確定各種恰當?shù)膮?shù)并具體給出它們的正確取值都是非常難的，尤其是對于介觀尺度上的材料模擬來說，更是如此。在介觀尺度上，各參數(shù)的取值還將依賴于其他參量，并且與因變量本身有關(guān)。這就意味著，在構(gòu)成狀態(tài)方程的要素中包含有非線性因素，并與其他狀態(tài)方程組成耦合方程組。此外，許多材料參數(shù)對狀態(tài)方程都具有較強的直接影響，例如在熱激活的情況下，其參數(shù)與變量之間是指數(shù)函數(shù)。晶（粒邊）界運動的活化能出現(xiàn)于指數(shù)項中，并強烈地依賴于近鄰晶粒之間的取向偏差、晶界平面的傾角和晶界處雜質(zhì)原子的濃度。前面提到的運動學(xué)方程、狀態(tài)方程、演化方程等，在形式上可以以代數(shù)的、微分的或積分的形式建立起來，這取決于所選擇的因變量、自變量以及所確立的因變量數(shù)學(xué)模型。所有方程和各種參數(shù)一起共同刻畫了材料的響應(yīng)特性，這就是本構(gòu)方程。4.1.2數(shù)值模型化與模擬前面討論的屬于模型構(gòu)造（或模型設(shè)計）的范疇。模型化的第二層意思，就是與模型相聯(lián)系的有關(guān)控制方程的數(shù)值解法。這一過程常被定義為“數(shù)值模型化”，或稱之為“模擬”。這是指“關(guān)于一系列數(shù)學(xué)表達式的求解”，亦即通過一系列路徑相關(guān)函數(shù)和路徑無關(guān)函數(shù)以及恰當?shù)倪吔鐥l件和初值條件，可以把構(gòu)造模型的基礎(chǔ)要素定量化。盡管數(shù)值模型化和模擬兩者從根本上說的是同一件事情，但在使用中二者常常會以稍有區(qū)別的方式出現(xiàn)。一般而言，把數(shù)值模型化理解為建立模型和構(gòu)造程序編碼的全過程，而模擬則常用于描述“數(shù)值化實驗”。根據(jù)這樣的理解，模型化是由唯象理論及程序設(shè)計的所有工作步驟構(gòu)成；而模擬所描述的則僅僅是在一定條件下的程序應(yīng)用。數(shù)值模型化和模擬的區(qū)別，還與“尺度”有關(guān)?！皵?shù)字模型化”一詞主要用于描述宏觀或介觀尺度上的數(shù)值解法，而不涉及微觀尺度上的模型問題。對于微觀體系中的模型計算通常稱為“模擬”。例如，把分子動力學(xué)所描述的原子位置和速度說成是由模擬方法獲得的，而不是說成是由模型化方法獲得的。在使用“模型化”和“模擬”兩個詞時多少帶有一些隨意性和不一致性。在模型化和模擬之間，其明顯差別則是基于這樣的事實，即許多經(jīng)典模型不需要使用計算機，但可以表達成嚴格形式而給出解析解。然而，可以用解析方法進行求解的模型通常在空間上不是離散化的，例如許多用于預(yù)測位錯密度和應(yīng)力且不包括單個位錯準確位置的塑性模型。模擬方法通常是在把所求解問題轉(zhuǎn)化為大量微觀事件的情況下，提供一種數(shù)值解法。所以，“模擬”這一概念常常是和多體問題的空間離散化解法結(jié)合在一起的（如多體可以是多個原子、多個分子、多個位錯、有限個元素）。下面給出模擬與數(shù)值模型化定義。所謂微結(jié)構(gòu)模擬，是通過求解在空間和時間高度離散化條件下反映所考慮的基本晶格缺陷（真實的物理缺陷）或準缺陷（人工微觀系統(tǒng)組元）行為特性的代數(shù)型、微分型或積分型方程式，給出關(guān)于微觀或介觀尺度上多體問題公式化模型的數(shù)值解。微結(jié)構(gòu)數(shù)值（或解析）模型化，是指通過在時間高度離散化而空間離散化程度低的情況下關(guān)于整個晶格缺陷系統(tǒng)的代數(shù)型、微分型和積分型控制方程式的求解，給出宏觀模型的數(shù)值（或解析）解。當在同一尺度層次上應(yīng)用于處理同一物理問題時，數(shù)值模型化一般要比模擬速度快，這就是說，數(shù)值模型化可以包括更大的空間尺度和時間尺度。數(shù)值模型化的這一優(yōu)勢是非常重要的，尤其在工業(yè)應(yīng)用方面這一優(yōu)勢更為突出。但由于數(shù)值模型化通常在空間上離散化程度較低，所以在定域尺度上其預(yù)測能力較差。4.1.3模型的基本范疇與分類（1）空間尺度與維度（數(shù)）根據(jù)不同的近似精度，可以對微結(jié)構(gòu)模型進行分類。通常，把模型簡單地按照其所使用的特征尺度來劃分。一般可把模型分為四類，即宏觀模型、介觀模型、微觀模型和納觀模型。宏觀一詞與材料樣品的幾何形狀及尺寸相聯(lián)系，介觀對應(yīng)于晶粒尺度上的晶格缺陷系統(tǒng)，微觀則相當于晶粒尺度以下的晶格缺陷系統(tǒng)，而納觀是指原子層次。也可以選擇三種劃分法，即宏觀尺度、介觀尺度和原子尺度。根據(jù)模型的空間維度來劃分，即一維、二維和三維。在研究中，二維和三維模型較為流行。它們之間的差異對其結(jié)果的合理解釋至關(guān)重要。例如，對于包含滑移且具有一定幾何形狀的系統(tǒng)，以及位錯相互作用系統(tǒng)，不能用二維模擬方法進行處理，而只能采用三維模擬方法。這一點在Taylor型模擬和較為復(fù)雜的晶體塑性有限元法中是非常重要的。即使是常規(guī)的有限元模擬方法，分別由二維和三維模型獲得的預(yù)測結(jié)果之間的差別也是不可忽略的。例如，在對軋制過程的二維有限元法模擬中，板材的橫向增寬一般可以忽略不計。當把位錯動力學(xué)從二維推廣到三維時，能夠正確描述位錯增殖效應(yīng)，而這在二維模擬中是不可能的。（2）空間離散化空間離散化程度可以分成兩類，即連續(xù)體模型和原子模型。連續(xù)體模型是在考慮了唯象和經(jīng)驗本構(gòu)方程及附加的約束條件下，建立描述材料響應(yīng)特性的微分方程。連續(xù)體模型的典型例子有經(jīng)典有限元模型、多晶體模型、自洽方法、位錯動力學(xué)方法以及相場模型等。如果要獲得微結(jié)構(gòu)性質(zhì)更為詳細的預(yù)測信息，則連續(xù)體模型將代之為原子模型。原子模型可給出更好的空間分辨率，與連續(xù)體模型相比，原子模型包含有較少的唯象假說。原子模型的典型例子有經(jīng)典分子動力學(xué)和蒙特卡羅方法。實際上，基于第一性原理的從頭計算模型，其主要目的在于對有限數(shù)目的原子的薛定諤方程給出近似解。通過分子動力學(xué)與緊束縛近似或者局域密度泛函理論相結(jié)合，以及通過蒙特卡羅方法，可以演繹出各種不同的從頭計算方法。它們在關(guān)于材料的基本物性、基本結(jié)構(gòu)及簡單晶格缺陷行為特性的預(yù)測方面，其重要性逐漸增加。（3）預(yù)測性特征模型具有預(yù)測性特征。確定性模型，就是基于把一些代數(shù)方程或微分方程作為靜態(tài)方程和演化方程，以明確嚴格的模擬方式描述微結(jié)構(gòu)的演化。隨機性模型，就是使用概率方法對微結(jié)構(gòu)的演化進行模擬描述。建立隨機性模型的目的在于采用一系列隨機數(shù)去完成大量的計算機實驗，從而實現(xiàn)模擬。隨機性模型在微結(jié)構(gòu)空間離散化模擬方面的推廣應(yīng)用有了很大發(fā)展。如蒙特卡羅方法是常規(guī)隨機性模型的典型例子。近年來，人們提出了各種改進型方法，并在空間離散化微結(jié)構(gòu)模擬方法中引入了微觀隨機性概念。空間離散化隨機性方法的典型例子有研究擴散和短程有序的蒙特卡羅模型，模擬微結(jié)構(gòu)非平衡相變現(xiàn)象的動態(tài)波茨模型，研究微區(qū)塑性、擴散、斷裂力學(xué)和多孔介質(zhì)性質(zhì)的隨機性逾滲模型，以及通過朗之萬力來處理熱激活過程的位錯動力學(xué)高級模擬方法。（4）描述性特征第一性原理模型，其目的在于通過最少的假說與唯象定律，獲得構(gòu)成所研究系統(tǒng)的根本特性和機理。其典型例子就是基于局域密度泛函理論的模擬方法。顯然，即使是第一性原理模型，也一定含有一些既無法說清其根源也無法證明其正確性的假說。計算材料學(xué)中的大多數(shù)模擬方法都是唯象的，亦即它們使用了必須與某些物理現(xiàn)象相符合的狀態(tài)方程及其演化方程。在這些方法中，大多數(shù)原子的詳細信息諸如電子結(jié)構(gòu)，通常是在考慮了晶格缺陷的情況下平均給出的。經(jīng)驗性方法可以在要求的精度范圍內(nèi)，從數(shù)學(xué)角度給出與實驗結(jié)果相吻合的結(jié)論。因此，它們一般不含有晶格缺陷的行為特性。然而，唯象模型公式化的過程可以看作是一個基本的步驟，在其中必須確定哪些因變量對系統(tǒng)性能有較強的影響，哪些因變量對系統(tǒng)的影響較弱，但在經(jīng)驗性模型中不區(qū)分重要的和不重要的貢獻。唯象模型具備一定的預(yù)測能力。一般來說，純經(jīng)驗性的方法是沒有什么意義的。由于引入模糊集合理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，使經(jīng)驗性方法的應(yīng)用情況得到了改善。（5）系列檢驗法一個很重要的問題是模型的有效性。在材料研究中，確實存在著這樣的情況，對同一合金現(xiàn)象的處理，人們引人了許多不同模型，而且模型或方法之間缺乏認真的比較。各個模型或方法與實驗數(shù)據(jù)的比較已經(jīng)很好的建立起來，但綜合各模擬方法與實驗結(jié)果的橫向比較還很少見到。定量化系列檢驗法的使用仍是對現(xiàn)行模擬工作的一種必要而合理的補充。例如，作為比較多晶塑性模型的系列檢驗法，它應(yīng)當涵蓋下列一些方面。A模擬方法必須處理同一種標準材料，這種標準材料應(yīng)具有嚴格定義的冶金學(xué)特性，例如化學(xué)性質(zhì)、晶粒大小、晶粒形狀、強度、沉淀粒子大小和分布等；B如果所考察的模型需要輸入拉伸或多軸力學(xué)試驗參數(shù)，它們必須采用同樣的數(shù)據(jù)；C所有預(yù)測須同一組實驗結(jié)果相比較，所用實驗結(jié)果須是在嚴格定義的條件下獲得的；D輸入數(shù)據(jù)中必須包含一組等同的離散取向數(shù)據(jù)；E從輸出數(shù)據(jù)中獲得的取向分布函數(shù)必須使用同樣的方法進行計算推斷；F對所描述或提交的數(shù)據(jù)必須采用同一方式；G對比較結(jié)果應(yīng)該給以詳細討論，并且公開發(fā)表。4.1.4模型化的基本思路結(jié)構(gòu)模型大致分為納觀、微觀、介觀和宏觀等系統(tǒng)。由于微結(jié)構(gòu)組分在空間和時間上分布范圍很大，晶格缺陷之間各種可能的相互作用是很復(fù)雜的，要從物理上量化地預(yù)言微結(jié)構(gòu)的演化與微結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系是比較困難的。所以采用各種模型和模擬方法進行研究是非常必要的，尤其是對不能給出嚴格解析解或不易在實驗上進行研究的問題，應(yīng)用模型和模擬更為重要。而且，就實際應(yīng)用而言，應(yīng)用數(shù)值近似方法進行預(yù)測計算，可以有效地減少在優(yōu)化材料和設(shè)計新工藝方面所必須進行的大量實驗。模型化與模擬方法的典型步驟是，首先，定義一系列自變量和因變量，這些變量的選擇要基于滿足所研究材料性質(zhì)的計算精度要求；其次是建立數(shù)學(xué)模型，并進行公式化處理。所建模型一般來說應(yīng)由兩部分組成，一是狀態(tài)方程，用于描述由給定態(tài)變量定義的材料性質(zhì)；二是演化方程，用于描述態(tài)變量作為自變量的函數(shù)的變化情況。在材料力學(xué)中，狀態(tài)方程一般給出材料的靜態(tài)特性，而演化方程描述了材料的動態(tài)特性。同時，在因制備過程或所考慮實驗對材料施加約束條件的情況下，上述一系列方程還常能給出材料的相關(guān)運動學(xué)特性。無論是從頭計算，還是唯象理論，通過選擇恰當?shù)囊蜃兞?，建立狀態(tài)方程和演化方程都是很有啟發(fā)性的。變量的選擇是模型化中最重要的一個步驟，它是近似處理問題時所特有的物理方法?；谶@些選擇好的變量和所建立的一系列方程，通常還要把這些方程變成差分方程的形式，并確定出求解問題的初始條件和邊界條件。從而使開始時所給出的模型變成了嚴格的數(shù)學(xué)表述形式。這樣一來，對所考慮問題的最終求解就可以用模擬方法或數(shù)值實驗法進行。由于計算機運行速度和存儲能力的不斷提高，以及在工業(yè)和科學(xué)研究方面對定量預(yù)測要求的不斷增加，大大促進了數(shù)值方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用。因此，理論分析、實驗測定和模擬計算已成為現(xiàn)代科學(xué)研究的三種主要方法。20世紀90年代以來，由于計算機科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，模擬計算的地位日漸突顯。在新材料的研究和開發(fā)中，采用分子模擬技術(shù)，從分子的微觀性質(zhì)推算及預(yù)測產(chǎn)品與材料的介觀、宏觀性質(zhì)，已成為新興的學(xué)術(shù)方向。無論是材料的物理模擬，還是材料的計算設(shè)計或數(shù)值模擬，一般都離不開計算機。計算機模擬起的作用可認為是一種用來檢驗理論而設(shè)計的實驗，這種在將理論應(yīng)用于客觀世界之前而加以篩選的方法稱之為計算機實驗。計算機模擬的這種作用極為重要，它已促使了一些非常重要的理論修正，而且它也改變了人們構(gòu)筑新理論的方法。4.1.5模型的實際應(yīng)用（1）物理模擬材料研究的物理模擬物理學(xué)研究問題的最基本方法是建立物理模型。物理模型是對具有相同物理本質(zhì)特征的一類事物的抽象。為了達到對事物本質(zhì)和規(guī)律的認識，必須根據(jù)所研究對象及問題的特點，把次要的非本質(zhì)的因素舍棄、撇開，有意地提取主要的和本質(zhì)的因素加以考慮和研究。這就是抽象的方法。例如，在研究物體做機械運動的規(guī)律時，忽略物體的形狀和大小而把物體抽象成具有一定質(zhì)量的幾何點來建立質(zhì)點模型；在熱學(xué)中建立理想氣體等模型。這些物理模型是建立物理規(guī)律的基礎(chǔ)，如質(zhì)點或點電荷模型是萬有引力定律、牛頓定律、庫侖定律等基本規(guī)律建立的基礎(chǔ)。國內(nèi)外在材料加工領(lǐng)域開展了許多物理模擬方面的研究工作，例如，物理模擬技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是焊接熱循環(huán)曲線、熱影響區(qū)組織和性能、焊接冷熱裂紋等；物理模擬技術(shù)在壓力加工領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是塑性變形及抗力、再結(jié)晶規(guī)律、CCT曲線測定等；物理模擬技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是形成過程的熱與力學(xué)行為、金屬的熔化與凝固控制、晶體生長與控制等；物理模擬技術(shù)在新材料開發(fā)及熱處理領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能、鋁基復(fù)合材料高溫變形行為、金屬間化合物拉伸性能、退火過程、熱/力疲勞等。物理模擬基本概念物理模擬（PhysicalSimulation）是一個內(nèi)涵非常豐富的廣義概念，也是一種重要的科學(xué)方法和工程手段。通常，物理模擬是指縮小或放大比例，或簡化條件，或代用材料，用試驗?zāi)Ｐ蛠泶嬖偷难芯?。如新型飛機設(shè)計的風洞試驗，塑性成形過程中的密云紋法技術(shù)，電路設(shè)計中的試驗電路，以及宇航員的太空環(huán)境模擬試驗艙等。在工程技術(shù)中，物理模擬就是利用物理模型模擬實際系統(tǒng)的行為和過程的方法，即通過建立物理模型和試驗了解實際系統(tǒng)的行為特征。物理模擬的突出優(yōu)點是基本上用實物模擬研究對象的方法，它直觀地給出研究對象的空間構(gòu)造形式、外部幾何特征、結(jié)構(gòu)尺寸以及其組成部分之間聯(lián)系和相互作用的結(jié)構(gòu)特征。另外，系統(tǒng)未建成時不可能對系統(tǒng)進行試驗；即使對于已建成的系統(tǒng)，在實際系統(tǒng)上進行試驗也是不經(jīng)濟的（如軋鋼系統(tǒng)，由于規(guī)模大，進行一次試驗要化很多資金）；有時甚至是不允許的。如電力系統(tǒng)、核反應(yīng)堆系統(tǒng)，由于這種系統(tǒng)的安全性將會對社會及人身產(chǎn)生很大的影響，一般是不允許直接在實際系統(tǒng)上進行沒有把握的試驗的。因此常常要求對模型先進行試驗，以便獲得研究系統(tǒng)所必須的信息。由于物理模擬不是直接對實際系統(tǒng)本身試驗，而是利用物理特性相似模擬，在實驗范圍內(nèi)進行小規(guī)模模擬試驗，因此在科學(xué)研究、工程設(shè)計和管理系統(tǒng)的合理運行方式的研究中都有重要應(yīng)用。有些重大工程設(shè)計、規(guī)劃及可行性研究都是首先建造出物理模型進行物理模擬，如大型水利水電工程、大型土木建筑工程、交通樞紐工程、航空航天工程等一般都是先通過模型試驗，考查方案設(shè)計的科學(xué)性和合理性，預(yù)測工程的最終效果并獲得重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。著名的阿波羅登月工程就是