材料四要素完整版.doc

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材料科学四要素的内涵和关系

摘要：材料科学四要素的提出，在貌似不相关的材料之间找到了共同点，反映了材料科学与工程研究中的共性问题。这里综述了材料科学四要素的内涵，并具体讨论了它们相互之间的关系与作用。

关键字：材料科学,四要素,共同点，内涵，关系与作用

Connotationandrelationshipoffourelements

inmaterialsscience

Abstract:Therefindcommongroundinthematerialthatseeminglydonotrelatedtoeachotherwiththefourelementsofmaterialssciencethatreflectsthecommonproblemsinmaterialsscienceandengineeringresearchareproposed.Herereviewedtheconnotationofthefourelementsofmaterialsscience,Andtherelationshipbetweenthemarediscussedindetail.

Keywords:materialsscience，thefourelements，commonground，connotation，relationshipandeffect

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。它不仅是人类进化的标志，而且是社会现代化的物质基础与先导。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关，材料的研究、开发和应用反映着一个国家的科学技术与工业水平。

材料科学是自然科学的一个分支，它从事材料本质的发现、分析和了解方面的研究。是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学，是多学科交叉与结合的结晶。

1.材料科学四要素的内涵

由于材料的品种及其应用多种多样，材料的问题涉及许多科学与工程学科，因此，人们更关心材料的统一性和相关性。材料科学四个基本要素的提出，在貌似不相关的材料之间找到了共同点，即无论哪种材料都包括四个基本要素：组成与结构、性质、使用性能、合成与加工[1]。把四大要素连接在一起，可组成一个四面体，如图1所示。上述四要素及其形成的四面体模型较好地描述了近代材料科学与工程作为一个整体的内涵和特点，反映了材料科学与工程研究中的共性问题。抓住了材料科学四个基本要素，就抓住了材料科学与工程的本质；而各种材料又因其特征所在，反映了该材料与众不同的个性。

（

（物理）

（化学）

（工程）

使用性能

合成与加工

组成与结构

性质

图1材料科学四要素

（1）组成与结构

材料的组成与结构是指组成材料的原子种类和分量，以及它们的排列方式和空间分布，习惯上将前者叫做成分，后者叫做组织结构,这两者统称为结构。

（2）性质或固有性能

材料的性质是指材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应，主要决定于材料的组成与结构。

（3）使用性能或服役性能

使用性能是材料在使用状态下表现的行为，它与材料设计、工程环境密切相关。使用性能包括可靠性、耐用性、寿命预测及延寿措施等。

（4）合成与加工

合成与加工过程包括传统的冶炼、铸锭、制粉、压力加工、焊接等，也包括新发展的真空溅射、气相沉积等新工艺，使人工合成材料如超晶格、薄膜材料成为可能。

2.材料科学四要素相互之间的内在联系

探索组成与结构、性质、使用性能以及合成与加工这四个要素之间的关系，覆盖从基础学科到工程的全部内容。四个要素之间的密切关系[2]（见图2）确定了材料科学与工程这一领域。

使用环境、服役条件

使用环境、服役条件

使用

使用性能

（满足设计要求的各种性能-强度、导电性、硬度等）

制备与加工（包括各种制备工艺及后期加工工艺等）组成

制备与加工

（包括各种制备工艺及后期加工工艺等）

组成

（化学组成、矿物组成以及相组成等）

性质

（力学、电学、光学、磁学、声学、热学等）

结构

结构

（微观结构、显微结构、组织结构、相结构等）

图2组成-结构-性能的关系

2.1材料的结构决定材料的性质

材料的结构决定材料的性质，而性质是结构的外在反映。材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。材料的组元指组成材料的物质组元，如原子、分子和离子等。材料的排