高等金屬學在材料研究領域中的地位和作用

摘要: 金屬學以金屬和合金的化學成分、加工工藝、組織結構和性能間的關系作為研究對象，而以這些關系作為依據，可以為金屬材料設計適當的化學成分和適宜的加工工藝，從而獲得預期的組織、結構和性能。

關鍵詞: 高等金屬學材料研究領域作用

在人類社會的發展過程中，材料的發展水平始終是時代進步和社會文明的標志。人類和材料的關系不僅廣泛密切，而且非常重要。事實上，人類文明的發展史，就是一部人類利用材料和創造材料的歷史。同時，材料的不斷創新和發展，也極大地推動了社會經濟的發展。在當代，材料、能源、信息是構成社會文明和國民經濟的三大支柱，其中材料更是科學技術發展的物質基礎和技術先導。

一

隨著社會和科技的進步，人們不僅需要性能更為優異的各類高強、高韌、耐熱、耐磨、耐腐蝕的新材料，而且需要各種具有光、電、磁、聲、熱等特殊性能和偶合效應的新材料，同時對材料與環境的協調性等方面的要求也日益提高。生物材料、信息材料、能源材料、智能材料和生態環境材料等將成為材料研究的重要領域。展望未來，材料科學與工程學科的發展方向將是:實現微結構不同層次上的材料設計，以及在此基礎上的新材料開發;材料的復合化、低維化、智能化和結構材料—功能材料一體化設計與制備技術;材料加工過程的自動化、集成化，等等。

20世紀最重大的科技成就之一就是人類實現了原子核內部巨大能量的釋放。盡管原子能時代的降臨是以核武器為開端的，但核材料也能造福人類，特別是核反應堆、同位素的應用、核醫學等。核反應堆一般采用熱中子堆，堆心的結構件必須采用鋯合金，因為鋯合金吸收中子的幾率很小，不會破壞堆內的鏈式反應，所以要建設核電工業系統，必須建立鋯材料工業。

當今最具時代特征的工業是信息產業，信息產業的基石是半導體材料。任何高度復雜、高度精細加工的集成電路，都需要高純度、高度摻雜的半導體材料和各種先進工藝的應用。信息技術的每一次突破都與材料和工藝的創新有著密切的關系，如高密度的光磁記錄材料給信息的存儲提供了極大的便利。

激光材料也是現代信息科技的一部分。各種波長的激光晶體、半導體激光器、激光光導纖維等對信息傳輸和信息高速公路的實現起著決定性的作用。

在航空航天技術的發展過程中，材料的發展水平對航空航天器的性能至關重要。航空用結構材料最主要的性能是高比強度和高比剛度，同時具有良好的工藝性能。高強度鋁合金、鈦合金和碳纖維增強的樹脂基復合材料是主要的航空材料。火箭、導彈材料與航空材料相比，關鍵是瞬時性能。導彈殼體材料對導彈的射程至關重要，殼體由金屬改為石墨纖維增強的復合材料后，洲際彈道導彈的射程可增加近1000公里。

進入21世紀后，新能源材料的發展將對社會經濟產生重要影響。為了保障世界經濟的可持續發展，解決越來越嚴重的溫室效應和大氣污染等環境問題，新能源材料將引導傳統能源向潔凈能源、可再生能源、分散型能源等多元化能源發展。除核能外，當今太陽能材料、燃料電池材料、鋰離子電池材料等取得了很大的研究進展，在不久的將來必然會對社會經濟等方面產生巨大影響。

二

一般來說，材料的基礎研究和帶有明確目的的開發性研究都有它們自身的價值。它們的效用有長有短，在實際生產上的體現有快有慢，但有一點是相同的，那就是要不斷探索。材料的應用研究一旦成功，即一種材料誕生之后，它的應用價值和市場開發就可以產生較大的輻射作用。比如金屬鈦，作為一種航空材料，它可用于飛機，也可用于化工、建筑、潛艇、首飾等。其應用越廣，需求量越大，則生產成本越低，越能帶動相關領域的研究和發展。20世紀后期，由于材料的應用越來越廣泛，并滲透到各行業，許多領域都與材料的制備、性質、應用等密切相關，使得材料成為機械、電子、化工、建筑、能源、生物、冶金、交通運輸、信息科技等行業的基礎，并與這些相關學科交叉發展。

三

自20世紀60年代初以來，物理、化學等學科的發展推動了對物質結構、物性和材料本質的研究和了解;冶金學、金屬學、陶瓷學、高分子科學等的發展推動了對材料的制備、結構、性能及其相互關系的研究;金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等各類材料具有共同的或相似學科基礎、學科內涵、研究方法與研究設備;同時科學技術的發展在客觀上需要對各類材料的全面了解和研究。

現代科學技術發展的特點是，一方面，學科呈現出多科性，新興學科不斷涌現，另一方面，學科發展又呈現出高度綜合的趨勢，交叉學科和邊緣學科層出不窮。學科交叉的形式可以多種多樣。如美國的著名大學一般都設有材料研究中心或材料研究實驗室，其研究人員往往橫跨高分子、金屬、陶瓷、表面改性、解剖、動物實驗、細胞培養等研究方面。金屬材料的性能主要取決于它的化學成分和組織、結構。化學成分不同的金屬材料具有不同的性能;而相同成分的金屬材料經過不同加工處理，具有不同的組織、結構時，也將具有不同的性能。可以認為:化學成分規定了組織、結構的可能變化范圍，而加工工藝是獲得某種預期組織、結構的手段。

四

金屬學是以金屬和合金的化學成分、加工工藝、組織結構和性能間的關系作為研究對象的，以這些關系作為依據，我們可以為金屬材料設計適當的化學成分和適宜的加工工藝，從而獲得預期的組織、結構和性能。

在金屬學中，對組織、結構的分析和研究是十分重要的核心問題。

金屬和合金在固態下通常是晶體。要了解金屬材料內部的組織結構，我們首先必須了解晶體中原子的相互作用和結合方式，晶體中原子的聚集狀態和分布規律，以及各種晶體的特點和彼此之間的差異，等等。這些研究涉及分子生物、固體物理、金屬學、礦物學及聚合物等廣泛領域。我們對晶體結構和晶體生長進行綜合研究，可以獲得控制組分和實際結構的知識，從而可以用各種手段來控制晶態材質的性質，據此還能探索具有非常寶貴性質的新晶體。事實上，對晶體的綜合研究已經使人們制成了并且正在發展著一大批結構材料及功能材料。

金屬學以金屬電子論、晶體學(見晶體結構)及合金熱力學為理論基礎，依靠物理、化學的微觀和宏觀檢測技術，擴展了金相學的內容，保持應用科學的傳統，其研究內容可分為兩方面:①聯系成分、處理過程對金屬組織結構和性能的影響，研究合金相結構和組織的形成規律，包括:研究合金相的形成、相圖原理及其測定、合金元素及微量元素在合金相中的分布等合金組成的規律;研究晶體中原子的擴散過程;晶體重構的相變過程，包括金屬的凝固與溫度壓力變化下的固態相變;研究晶體缺陷和金屬形變過程中的位錯運動;研究成分及雜質對金屬性質的影響，包括超微量元素，以及微觀和宏觀偏析。②聯系金屬材料的使用，研究材料結構強度和斷裂行為(見形變和斷裂);研究金屬材料在各種不同使用條件下的特性變化等(范性形變，疲勞，蠕變，應力腐蝕，斷裂和氫脆);研究金屬的強化原理。至于那些雖以金屬為對象，或雖與金屬有關，但主要研究晶體缺陷和金屬電子結構，以及它們之間，或它們與各種射線之間的交互作用等微觀過程;研究金屬和合金的物性本質，或純屬探索自然規律的領域，則另列入金屬物理，屬凝聚態或固體物理的分支。

最近20年來，金屬學出現不少新的突破，主要是由于新實驗技術和新工藝的出現而取得的。例如，應用電子計算機進行圖象處理，可以明顯地提高電子顯微鏡的分辨能力，能直接看到金屬中單個原子分布的圖象(電子顯微學);分析電子顯微術和各種表面分析設備不斷出現，將金屬學的發展引向更加深入。又如應用激冷技術制成的快冷微晶合金和某些合金體系形成的非晶態金屬，都各自顯示出特有的性能，有很大的理論意義和實用價值，為金屬學開拓了新園地，也為材料的研究提供了更便捷的手段。

五

高等金屬學在我們現在所研究的“鋁鋅合金的耐腐蝕性”課題中也發揮著重要的作用。要研究鋁鋅合金的耐蝕性，我們首先必須了解材料的組織和性能，聯系成分、處理過程對合金組織結構和性能的影響，研究合金相結構和組織的形成規律，包括:研究合金相的形成、相圖原理及其測定、合金元素及微量元素在合金相中的分布等合金組成的規律，從而分析它在各種不同使用條件下的特性變化，也即包括材料在不同環境介質中的耐腐蝕性。這些都是高等金屬學要研究的內容。隨著材料的不斷發展，高等金屬學在材料研究領域中必將發揮越來越重要的作用。

參考文獻:

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