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1、1金属材料科学发展的历程与人类思维方式的演变摘要：纵览了人类思维方式的演变、自然科学和金属材料科学发展的历程，阐述了金属材料及其理论的层次性和相关性。介绍了我们为实现金属材料科学设计的规划轮廓。关键字：材料科学 物理金属学 材料设计 系统论材料科学是探索研究和制造新材料规律的科学，它不仅指出特殊材料研制的特殊方法，而日还揭示出各种不同材料研制的共同规律。材料科学技术是一门技术科学，它介于基础科学和工程技术之间。与基础科学相比较，材料科学技术更接近于具体实践。而与工程技术相比较，它则更接近于理论研究。它是基础科学研究中基础理论转化为应用技术的中间环节。它的主要特点是将具体技术中带有共同性的科学问
2、题集中起来加以研究。在材料科学研究中，探寻其中的哲学问题对材料科学技术的发展很有必要。1人类思维方式的演变与自然科学的发展人类对客观世界的认识经历了“朴素整体论”和“分解论”(或称还原论)的时代，当前正处于向“系统论”演变的新时代。回顾人类思维方式的演变和科学发展的历程对我们进行创造性思维和卓有成效的工作是极为有益的。中世纪以前的古代科学是处于“朴素整体论”的时代。由于低的生产力和科学水平的限制，人们并不知道每一事物是一个具有复杂结构的系统，也不能认清事物之间联系的细节，古代的先哲们就是在这种情况下追求事物的整体性和统一性的。古中国的先哲们就曾以“金、木、水、火、土”解释万物构成的世界。随着生
3、产力和科学水平的提高，人类进人了“分解论”的时代。人们运用割断事物之间联系的方法，把研究的事物从联系中抽出来，进行结构、特性、原因和结果的细致研究。首先是自然科学从哲学中脱解出来，随之，数学、天文学、物理学、化学、生物学等学科相继形成。随着人们认识的深化和知识的不断积累，这种“分解”进一步在每一学科内延续。分解论的思维方式所追求的是对事物精确和严密的逻辑性描述，反对含糊笼统的臆断。人类每作一步分解，便有新的理论建立。人类运用这种思维方式取得了永远值得自豪的光辉成就。在这一时代出现了以哥白尼、伽俐略、牛顿和爱因斯坦等为代表的一大批成就卓著的科学家。然而，分解论的思维方式并不是尽善尽美的，由于层层
4、分解，忽略甚至完全割断事物之间的固有联系，就会使事物发生“变形” ，以致使人们不能从整体上把握事物的性质和总的发展规律，甚至有时导致了精确性与正确性相冲突的结论。2“分久必合，合久必分” 。由于生产力和科学技术的高度发展，知识的大量积累，分解论思维方式的局限性更加显露，导致了一个新的系统论思维方式的产生。系统论的创始人贝塔朗菲说，生物学走的是还原论的道路，研究越来越细，一直研究到分子，叫分子生物学。但是最后说到生命现象到底怎么回事，好像越来越渺茫，研究的越细，对“整体”越说不清楚。他认为应朝另一个方向来看待研究的对象，从而提出了系统思想，建立了系统论。人们经历了分解论思维方式时代以后，逐渐以系
5、统的思维方式重新开始对自然界进行综合的整体性探索。如果说在过去人们每作一次新的“分解”便有一批鲜艳的花朵开放，那么在当今系统论的时代，人们每作一次新的“综合”便有一批丰硕的果实成熟。这意味着只有经历了分解论时代，才能进入系统论时代。同时也只有在这一新的时代，自然科学家才能从整体上把握事物的全部特征及其演变规律。至今己有一批专门性的系统科学和相应的系统工程产生;一批新兴的综合性科学和一批横向科学也相继出现。2人类思维方式的演变与金属材料科学的发展Meh1 和 Cahn 详细叙述了金属材料科学发展的历史 1，本文将以他们提供的史料为主要依据，结合各专门学科和理论形成情况，将人类思维方式在金属材料科
6、学中的体现划分为四个时期，将金属材料科学的发展历程划分为相应的四个阶段(见表 1)。表 1 金属材料科学发展的阶段与人类思维方式的演变19 世纪以前 19 世纪 19001980 年 1980朴素整体论时期分解论初期 分解论盛期 分解沦向系统沦转变期物理金属学孕育阶段物理金属学生长阶段 物理金属学成熟阶段 物理金属学向材料系统科学转变阶段冶金学化学冶金金相学宏观热力学及相图物理金属学晶体学材料力学金相电子显微术合金统计热力学及相图计算晶体 X 射线衍射学弹性、塑性及断裂理论金属与合金电子理论品体的缺陷及位错理论固体中原子扩散及相变理沦材料的物理性质理沦(电、磁、热、光等)材料的表面与界而科学粒
7、子光学:多功能电子显微镜电子微区探针分析器场离子发射显微镜场电子发射显微镜32.1物理金属学的孕育阶段（19 世纪以前)在冶金学方面,19 世纪以前的漫长历史是人们思维方式处于朴素整体论时期，有关金属材料的工艺技术和科学并属于英文“Metallurgy”和中文“冶金学”之中，甚至整个技艺，包括冶炼、提纯、合金化、成型和处理是由同一类技师来承担。在 18 世纪，化学和物理学从自然科学中脱解出来，但冶金学仍包容着化学和物理的内容。当时冶金学家和化学家难以区分，一些著名的物理学家也在进行着有关金属的组织和性质的先导性研究。伽俐略测量了金属的拉伸强度、虎克提出了著名的弹性定律、牛顿考虑了断裂表面、Re
8、aumur 用放大镜观察了金属晶粒尺寸并预言了奥氏体晶粒尺寸对硬化的影响。冶金学孕育着化学冶金和物理金属学的分解。2. 2物理金属学的生长阶段(19 世纪)19 世纪是人们思维方式处于分解论的初期，冶金学分解为化学冶金和物理金属学。金相学、晶体学、合金宏观热力学及相图和材料力学等专门学科的相继出现是物理金属学发育形成的主要标志。Hessel 在 1830 年提出了 32 种晶类，Bravais 在 1849 年提出了 14 种平移点阵。在 19 世纪末，Federov , Schoenfliesz 和 Barlow 各自独立地导出了 230 种空间群。晶体学的这些成就奠定了对金属材料晶体结构本
9、质认识的基础。被尊为金相之父的 Sorby 于 1864 年首次摄得钢的金相照片。随后又观察到珍珠色的珠光体组织，并认识到珠光体是由一种均匀的高温相分解而形成的，淬火时这种组织的形成就被抑止。因此，他已清楚地认识钢中相转变的存在和应用。由于组织与性质有着密切的关系，应用金相显微镜研究的热潮迅速高涨，钢中一些有特殊意义的组织相继被发现，钢的质量控制和检测主要依赖于金相学。在有关合金系相组成的知识发展过程中，Gibbs 的相律具有里程碑作用。由相律所阐明的相平衡条件获得广泛的应用。Roozeboom 应用相律最先建立了Fe-Fe3C 的平衡相图，随后又有 Heycock 及 Nevill 对铜-锡
10、系相组成所作的工作，表明合金热力学及相图这个重要的专门学科分支已经形成。在工业革命时期，钢主要作为结构材料使用，因此材料的力学性能极受关注。由于 Young,Cauchy 和 Poisson 等的工作成就，普通材料力学实验和弹性理论到 1871 年已经完全建立起来。对于大应力作用下材料的塑性变形、加工硬化以及退火引起再结晶软化均有了初步研究。2. 3物理金属学的成熟阶段（1900 1980 ）这一时期的主要特征是：(1)原有专门学科进一步分解和深化；(2)脱解出大量新的理论，以至达到接近极限的程度；(3)由实验归纳法向数学演绎法转变，分解沦思维方式发展到高级阶段。这里仅列举对物理金属学的发展具
11、有深刻意义的几个方面。1912 年 Laue 的实验既证明组成晶体的原子在空间排列的周期性和对称性，4同时也证明了 X 射线波的本质。随后，Bragg 等建立的晶体 X 射线衍射学使科学家的视野由金相显微镜观察的组织结构层次深入到相的原子排布的结构层次，给出了原子排布的大量信息:长程有序、近程有序、原子偏聚、原子空位和原子间隙等，对所有己知金属的同素异构体和合金相的晶胞参数和原子占位都进行了测定，这些知识对其它专门学科的深化和新理论的建立给予了巨大的支持。物理金属学的进一步深化便进入到电子一结构层次。1905 年 Lorentz 将金属设想成传导电子和金属离子的集合体，应用经典统计方法论述了金
12、属的导电性和导热性。1928 年，Sommerfeld 为了克服 Lorent在电子对比热贡献上所面临的困境，将金属中自由电子的状态以波函数描述，电子的分布应遵从Pauli 原理并使总能量最小，建立了电子的量子统计理沦。1929 年，Bloch 考虑了金属中的电子与规则排列的离子势场的相互作用，为能带理论的建立奠定了基础。1927 年 Heitler 和 London 应用量子力学原理对氢分子电子结构的研究开创了现代化学键理论的先河随后，Paining 对价键理论的建立作出了大量贡献，应用状态杂化、共振、电负性和单键半径等概念对分子和晶体构型进行了卓有成效的研究。1937 年 Slater 在
13、其“合金的电子结构”一文中指出:今后物理金属学的发展将取决于合金电子理论的进步，如同上一个世纪物理金属学的发展依赖于合金热力学和溶液理论一样。然而，Slater 的预言实现得并不理想，这是由于合金中原子排布的多变性和随机性，以及成分的可连续变化性使金属电子理沦发展极度缓慢。1978 年，余瑞璜倡导走理论与经验相结合的道路，发表了“固体与分子经验电子理论” 2，重新唤起人们对发展金属与合金电子理论的重视。晶体塑性变形时滑移带的存在和理论切变强度比观测值大几个数量级的惊人差异导致 Taylor,Orowan 和 Polanyi 各自独立在 1934 年提出了晶体中存在着位错的假设，开创了一条运用演
14、绎法处理金属形变和力学性质的路径。随后由于 Britol 学派和 Birmingham 学派的大力研究，以及 Hirsch 等利用电子显微镜在薄晶体中观察到位错及其运动，使位错理论牢固地建立起来，并由它衍生出现代的塑性变形理论、强度理论、蠕变理论和断裂理论，大大地丰富了物理金属学。科学家们不满足于宏观热力学中一些经验性规律，他们从描述系统的配分函数出发，探索原子之间相互作用的规律，通过演绎的方法推导一系列热力学函数，使合金热力学拓展到相的原子层次，形成合金统计热力学，并使相图计算科学又向前大大推进了一步。2. 4物理金属学向金属材料系统科学的转变阶段(1980)在这一阶段，由于粒子光学的不断发
15、展，除电子显微镜向多功能方向发展以外又产生了一些新的研究金属材料结构的现代仪器:如电子微区探针分析器、场离子发射显微镜和场电子发射显微镜等。由于这些仪器提供了大量表面和界而的微观结构实验资料，导致金属表而和界面科学的产生。此时，物理金属学中新的专门学科和单一结构和单一性质理论的形成似乎已接近尽头。物理金属学和生物学一样，走的也是一条还原论的道路，研究越来越细，一直研究到电子。但是最后说到怎样科学地设计新材料?人们既感到茫然，又显得束手无策。材料科学家们对此状况均不满意，但又无可奈何。正如 Mehl 所说:5“当时知识宝库迅速增大，使得专业化成了势在必行之事。现在可知，这种专业化和相互分隔是令人
16、遗憾，但又无法避免的” 。由人类思维方式演变的进程可知，专门学科分支的形成是知识宝库增长的标志，是科学发展的必然规律，不经过分解论的思维方式，就不可能进入系统论思维方式。没有专门学科的分解，便没有各专门学科的综合。人们已开始注意各专门学科之间的联系，并着手将由化整为零的研究方式所取得的成果进行综合。肖纪美以“能量”为基本性质综合了热力学、统计物理、弹性理论和界而科学等的研究成果，并归纳为较完整的合金能量学 3提供了一个运用系统论思维方式进行综合的范例。一旦系统论思维方式为广大材料科学工作者所运用，金属材料科学的发展又将出现一个新的高潮。到了发展的后期，化学又会来到物理金属学中，物理金属学这个名词可能会被金属材料科学所取代。由于分立的专门学科和理论会构成彼此相互关联的理论体系，金属材料科学就会变成金属材料系统科学，最终它又将被综合于材料科学之中。3.金属材料的理论体系材料是由一定配比的若于相互作用的元素构成的，具有一定结构层次和确定性质，并能用于制造工具、器件、设备和建筑物等的物质系统。相容性、相关性、
