材料科学与工程中的几个基本规律
赵振业
材料科学与工程形成为一个学科已有50年的历史了。半个世纪来，材料研究取得了预想不到的进步，材料已成为制约多种科学发展的重要因素。当前，材料研究和发展中又出现了新问题和新现象，需要建立新的概念，进一步推进这一发展势头。这些新的概念就是我要说的材料科学与工程中的三个基本规律。所谓三个基本规律就是材料科学与工程“四要素”，它导致可靠材料；材料科学与工程两个“全过程”，它形成可用材料；材料体系，它形成生产力。
在论述材料科学与工程三个基本规律之前，先介绍有关材料科学与工程的几个基本概念。
首先要解释什么是材料科学与工程，它是怎样形成的？顾名思义，材料科学与工程是材料科学与工程技术的融合和跨学科集成，它大体形成于20世纪50～60年代，是由美国发起的。之所以要形成材料科学与工程这一学科，是因为当时材料科学理论与工程技术乃至材料产业的脱节，从事材料科学理论研究的人自命清高，严重制约了材料的发展。经过20多年的调研、试验、研究，推动了材料科学与工程技术的结合，最终形成了材料科学与工程这一学科。
我要说的第一个基本概念是：材料科学与工程属于应用科学范畴。大家知道，材料是人类文明史的重要标志。比如说，材料从石材、木材发展到铁材乃至今天的复合材料，材料是一个活跃而无止境的领域，材料的发展和使用推动着人类文明的进程，也推动着现代科学的不断发展。所谓应用科学是相对于理论科学而言的，它是基础科学与工程学的结合。因此它的目标在于形成有价值的形式。
第二个基本概念是：先进材料属于学科前沿。先进材料已从经验性和技术性研究转化到真正科学意义的研究，其试验和理论都达到了很高水平，以致先进材料具有“极限”性能特征，就是说达到了应用基础理论预测的性能水平。
第三个基本概念是：材料科学与工程推动了材料发展。材料科学与工程学科的形成是材料史上的一件大事，它结束了材料发展中的混沌状态，弥合了理论科学与技术产业的脱节，填补了理论科学与工程技术间的鸿沟，从而推动了材料的大发展。人们随时可以列出具有划时代的材料研究成果，比如当今的半导体材料、碳纤维增强复合材料、巨磁变材料、纳米材料、超导材料等。
第四个基本概念是：先进材料研究的目的全在于应用。先进材料研究常具有强烈的应用背景，明确的性能或功能指标，适宜于使用模式，因此是一个复杂的技术体系。
第五个基本概念是：我国先进材料的后进状态亟待改变。经过几十年的研究发展，我国的先进材料取得了长足的进步，不仅支持我国成为一个制造大国，而且支持了像航空、航天、航海、精密机械等高科技领域的发展。当前，先进材料呈现的薄弱环节是创新能力不足，工程化生产保障能力低下，构件、元器件性能水平低，制约了高端产品的制造和使用。幸运的是，先进材料遇到了前所未有的发展机遇，这些机遇来自高科技发展的需求，“极限”性能的需求，以及国民经济快速发展的需求。当前，先进材料发展面临着严峻的挑战，包括自主创新材料，材料产业化及其可持续发展。迎接这些挑战，材料工作者肩负着重要使命，就是用前所未有的材料支持前所未有的航空器、航天器、航海器及其他各种高科技装备和产品。在履行这一职责所采用的各种途径和手段中，我认为最重要的是尊重科学，遵守科学规律。
下面我就介绍关于材料科学与工程的三个基本规律。我建议想了解这些规律的同行和朋友们，结合自己承担的材料研究项目来了解，结合自己以往的经历和经验来了解，结合自己现有的认识和知识来了解，体会和辨别三个基本规律是不是真知，有没有指导作用，能不能推动材料发展。
第一个规律：材料科学与工程“四要素”。什么是“四要素”，“四要素”之间是个什么关系？所谓“四要素”，就是成分、组成与结构；合成与加工；性质；使用行为。这四个要素同等重要，没有哪一个要素比另外的要素更重要，四个要素是一个整体。讲“四要素”当然是因为过去不是“四要素”，而是三要素，甚至是二要素。就是说，在我们的材料研究中，即使是现在，只做了三要素，甚至只做了二要素。据我了解，多数是用二要素，就是成分与结构和性能。一个合金的成分设计出来了，通过一定处理得到设计的组织，就测它的性能，性能假如说有偏差或者说不适当，再来做成分调整，反复地这样做。当然也有三要素的，也有四要素的，但是应该说为数不多。由于三要素或者两个要素，给材料带来了很多的问题和弊病，所以才发展到了材料的“四要素”。美国在发展“四要素”的时候，强调了其中两个要素，一个要素就是“合成与加工”，另外一个要素就是“使用行为”，可见我们现在的材料研究与美国当时的状况大体是一样的。所以今天谈材料科学与工程“四要素”，对我国材料的发展至关重要，具有现实意义。“四要素”的基本内涵又是什么？第一个要素“成分、组成与结构”中，“成分”是对金属材料而言，“组成”是对非金属材料而言。第一个要素的主要内涵包括：从电子、原子到宏观尺度裁剪材料；结构的无限变化演绎出材料的复杂性能；成分与结构的表征、分析和建模技术等。举一个例子说，钢是铁与碳的合金，体心立方铁中因添了碳原子就是碳钢；碳钢中添加合金元素后就是合金钢，合金钢中铬元素添加重量达到12%就成为不锈钢，这就是成分设计的概念。一个钢还要做结构设计，基体结构是马氏体、贝氏体还是铁素体+珠光体混合。用马氏体结构可以获得高强度、超高强度，用贝氏体只可获得高强度或中强度，而铁素体+珠光体混合结构只能获得中强度或低强度。采用复合组织结构设计还可以获得不同性质的材料或复合材料。从过去的“试凑法”“优选法”到现在的“计算合金”都属于第一要素的内容。第二个要素是“合成与加工”。“合成”是对非金属材料而言，加工多指金属材料。金属材料中常称“制备与加工”。“合成与加工”的基本内涵包括：所有尺度上，原子、分子和分子团对结构的控制；新的结构转化为材料和结构的一些演化过程；宏观操作所引发的微观结构的变化和意外的现象等。制备与加工对材料的控制作用是极为显著的，比方说高纯熔炼。高纯熔炼对于金属材料是非常重要的，当然纯度对于非金属材料也是非常重要的。提高材料的纯洁度是发展材料的一个非常重要的措施，对于高强度、超高强度的铝合金、钛合金、超高强度钢、高温合金，纯洁度几乎成了非常非常重要的一个韧化机制，没有高纯洁度，要做到强度和韧性的匹配是非常非常困难的。前边提到“合成与加工”引起结构的变化可能会产生意外的现象，什么样的意外现象？这里举锻轧给钢带来的“意外”现象。将钢加热到动态再结晶温度（TRC）以上，锻轧变形后冷下来成材，这就是普通钢锻轧工艺方法。在钢里边添加10-1到10-3微量难熔元素，通过在TRC以上高温下控制轧制，控制晶粒度，然后冷下来成材，这就变成了所谓的微合金钢。微合金是20世纪70年代到80年代世界上非常风行的一种钢的改造，一直到现在，汽车上大量用的钢都是这类钢。把钢加热到TRC以上，冷至A1点附近做控制轧制，获得超细晶粒，使钢强度翻番，这就是所说的超级钢。超级钢是从日本和韩国首先发起的，我们国家现在做的这种钢，已经在汽车上试用。20世纪70年代利用变形诱发马氏体相变使钢从高强度发展到超高强度，它是把钢在A1以下做中温控制轧制，获得没有完全再结晶的组织，把钢的强度大幅度提高上去。这就是有名的TRIP钢。采用高温控轧，A1点附近控轧，中温控制冷却下来相变，甚至冰冷处理，然后回火，冷轧，即所谓的特种热机械处理（STMT），把钢的抗拉强度提高到了4200兆帕以上，是现在世界上强度最高的钢。可以看出，用锻轧的方法产生的“意外”现象，对钢的发展具有突出重要的作用。可是，材料研究中却没有给予足够的重视。
第三个要素是性质。这个要素的主要技术内涵包括材料对外界刺激的整体响应、各种尺度上的性能的测试和分析、导向所需综合性能的设计等。材料性质至少包括以下几类：
第一类叫做“基本性能”。基本性能是指各种材料有别于其他材料的特定性能，包括力学性能、物理性能、化学性能等。对一个材料来讲，只研究基本性能是远远不够的，还必须做“全面性能”的评价。第二类“全面性能”包括了高低温性能，动态性能，还有其他的特殊性能，等等。做这些干什么？一个材料具备了特定的“基本性能”，并不能够证明这个材料可以做构件，它可能在其他方面存在很大的问题，甚至是致命的。如果全面性能评价下来这个材料各种性能都是相匹配的，才能说这个材料的基本性能是好用的。第三类是“工艺性能”。“工艺性能”是评价材料能不能变成产品的能力。如果需要做成复杂形状的构件，“工艺性能”就起了决定性的作用。比方说我们研究铸造合金，如果这个合金的流动性不好，就很难做出铸件，这个材料就不是一个好的材料。我们可以设身处地看一下，已经在用的材料，有多少材料只做了基本性能，有几个材料是做了全面性能的，有哪几个材料是基本性能、全面性能和工艺性能都做了的，翻开我们的各种材料手册看看，屈指可数。我最近看到有个材料只做了几个基本性能，疲劳性能都没有做什么研究，就用作飞机构件了。结果在试验过程中恰恰就都出现了疲劳裂纹，怎么办呢？第四个要素是“使用行为”。主要内涵包括材料固有性能与构件功能相结合，使用中材料固有性质的变化、预测和改善；环境中固有性能变化和预测；与构件基本性质相关联的一些模型等。也就是说在研究材料的时候，无论如何要关注所研究的材料是做什么用的，仅仅是从材料研究、从学科上的研究是不够的。这就是基本概念中所说的，先进材料常具有非常强烈的应用对象和目标，所以无论如何要特别关注材料的使用行为，考察它的服役性能：腐蚀性能怎么样，疲劳行为怎么样，失效行为会怎么样，还有它在复合环境里的行为又会怎么样。也就是说要适应未来构件的使用环境，达到使用的要求。
“合成与加工”或“制备与加工”这个要素常被忽视，甚至被认为是材料科学与工程中的非主流技术，给材料研究发展带来严重制约。因此，“四要素”重点强调的是这一要素。材料的“使用行为”是材料好坏的判据，也是材料研究发展的终极目的。在材料研究中也常被忽视，因此“四要素”规律中又特别强调了这一要素。“四要素”反映在材料的研制过程里，它整体化了材料科学与工程。“四要素”是不可分割的整体，四个要素又要各自高水平地发展。“四要素”确定了材料是跨学科的技术集成，而且是各学科里材料科学家、工程师以及技术工人，各类技术的综合。只有把各个学科、各类技术都做到一体化，才能变成一个可靠的材料。“四要素”确定了材料科学家的责任，就是一定要按照“四要素”的基本规律去研究发展材料，不管是研究新材料，还是改进、改型现有的材料。