材料分析与材料科学的关系

材料是人类社会进步的里程碑,新材料的诞生与发展是提高社会生产力和人民生活水平的重要物质基础。材料科学的研究内容主要包括材料的成分和组织结构、制备合成与加工工艺、材料使用性能和固有性能四个方面,它们相互之间的关系可用一四面体表示,如图1.1所示。四面体的各顶点分别为成分和组织结构、制备合成与加工工艺、材料固有性能和材料使用性能,它们构成了材料科学研究的四要素。该四面体模型较好地描述了作为一个整体的材料科学与工程的内涵和特点,反映了材料科学与工程研究中的共性问题。

图1.1　材料科学与工程四要素

每个特定的材料都具有一个从原子、电子尺度到宏观尺度的结构。在各种尺度上,对材料的结构进行分析和研究,是材料科学与工程学科的重要方面。材料的结构一般包含以下几个层次:电子层次、原子或分子排列层次、显微层次、宏观层次。材料的制备与加工过程实质上是一个建立原子、分子新的排列方式,从微观尺度到宏观尺度上对材料结构进行控制的过程。制备通常是指把原子和分子组合在一起来制造新材料时所采用的物理和化学方法。加工除了为生产有用材料而对原子、分子的排列方式进行控制外,还包括材料形状在较大尺度上的改变。材料加工是材料科学与材料工程的综合,是整个材料技术发展的关键环节。材料的性能和使用性能取决于材料的组成及其各个层次上的结构,而后者又取决于材料的制备合成与加工工艺。材料的性能一般包括力学性能(如强度、塑性、韧性等)、物理性能(如导电性、导热性、折射率、磁化率等)和化学性能(如抗氧化性、抗腐蚀性等)。材料的任何性能,都源于其特定的结构,都是材料经合成或加工后,因其成分与结构的变化而产生的结果。材料的使用性能是指材料在使用条件下表现出来的性能,是对材料在服役条件下的有用性的度量。这里除了材料的性能外,还会涉及使用环境、受力状态等对材料性能和寿命的影响。(www.zuozong.com)

材料的性能取决于材料的内部结构,而材料的内部结构又取决于材料的制备加工工艺。可以通过对材料制备和加工过程的控制,优化材料的内部结构,从而实现改变或控制材料性能的目的。如一种钢淬火后得到的马氏体(较硬),退火后得到球状珠光体(较软)。因此,材料研究应建立在对材料性能需求分析的基础上,充分了解材料的结构及其与性能之间的关系,而材料制备的实际效果也必须通过材料结构检测和性能检测来加以分析。材料结构与性能表征的研究水平对新材料的研究、发展和应用具有重要的作用,因此材料结构与性能表征在材料研究中占据了十分重要的地位。通过一定的方法控制材料的显微组织形成条件,使其形成预期的组织结构,从而具有所希望的性能。例如:在加工齿轮时,预先将钢材进行退火处理,使其硬度降低,以满足容易车、铣等加工工艺性能要求;加工好后再进行渗碳淬火处理,使其强度和硬度提高,以满足耐磨损等使用性能要求。

材料结构与性能的表征包括了材料性能、微观结构和成分的测试与表征。描述或鉴定材料的结构涉及它的化学成分、组成相的结构及其缺陷的组态、组成相的形貌、大小和分布以及各组成相之间的取向关系和界面状态等。所有这些特征都对材料的性能有着重要的影响。

材料科学的发展离不开材料分析技术的支持,正因为有了先进的分析技术和仪器,材料科研工作者对材料的特殊性能的形成原因与机理才有更细微的研究,对材料的内部反应及显微结构有更深的了解。只有通过各种分析手段才能控制材料的制备工艺,研制出更多更好的先进材料。然而材料分析技术的发展需要各类先进功能材料和高性能材料提供物质支持,没有先进功能材料的诞生及性能提高,再好的理论基础也只能停留在设计阶段。因此材料科学与材料分析之间关系密切,相辅相成,相互促进,协调发展。