我国科学院院士, 著名材料科学家师昌绪老先生认为, 材料的性能和使用效能并不是完全相同的概念, 但它们有着特殊的联系。材料的使用效能是材料性能在使用条件下的表现, 环境(如气氛、 介质、 温度等)对材能性能的影响很大, 有些材料在一般环境下的性能良好, 而在腐蚀介质下性能显著下降; 有些材料在表面光滑时性能良好, 当表面存在缺陷、 划伤时性能大大下降, 特别有些高强度材料表现尤为突出。因此把环境因素引入到工程材料中来十分重要, 亦即材料应考虑5个基本要素。另外, 材料的5个要素都有其相关的基本理论。根据基础理论建立模型, 通过模型进行材料设计和工艺设计, 以达到最优的性能和使用效能, 并节约资源、 减少污染、 降低成本的最佳状态, 这是材料科学与工程的最终奋斗目标。因此师先生提出了一个六面体的材料要素图(见图1-2)。理论处于六面体中心, 表示5个要素和几个相关要素都需要基础理论的指导。这个六面体, 十分全面的概述了材料的研究开发, 生产使用中各种因素的相互关系。
图1-2 材料五要素关系示意图
物理冶金学是研究金属材料的成分、 加工制备工艺、 组织结构、 性能及它们之间的关系, 探索自然规律的科学, 属于基础理论研究。同时它和生产实践息息相关, 它所研究的问题许多都是从生产实践中提出来的。 研究材料的目的在于应用, 是面向实际直接为经济建设服务的, 所以物理冶金学也是一门工程技术科学。
物理冶金学是以固体物理、 晶体学、 物理化学等为基础, 并结合冶金学来研究金属材料的本质和各种条件下其内部结构的演变规律, 所以物理冶金学的发展与物理学的实验技术的进展密切相关, 例如X射线衍射技术、 电子显微镜技术、 电子探针微区分析技术等先进科学仪器的不断发展和性能的不断提高都大大推进了物理冶金学的发展。
物理冶金学作为一门独立的学科, 虽然经历了一百多年的历史, 已取得了巨大的成就, 但是它还是一个正在发展中的科学, 其体系还不像物理学、 化学那样严密、 完整, 有许多理论和规律还停留在定性或半定量的阶段, 某些理论或规律则只有在某种特定条件下才适用。例如两种金属形成置换式固溶体时, 决定溶质溶解度大小的因素就只是定性的半经验规律, 而且只有部分合金才比较准确的符合。还有一些问题的本质至今尚不十分清楚, 同时存在多种理论或观点。例如加工硬化现象是很早就被人们注意的重要问题,众多学者对此进行了研究, 取得了重要成果, 材料生产中对加工硬化现象的利用也很普遍, 但是加工硬化的微观机制, 至今仍然了解不够, 加工硬化理论还在发展中, 目前已发表的加工硬化理论不下十余种, 它们都能解释某些实验现象, 但哪一种观点是最全面准确的, 现在还难以肯定。又例如单相铜合金在低温退火时, 可显著提高硬度、 抗拉强度、 屈服强度和弹性极限, 这种现象称为退火硬化, 在工业上也在利用这种低温退火硬化现象来提高冷变形单相铜合金的强度和弹性, 但是这一现象的机理目前尚无定论。尽管如此, 物理冶金学已取得的巨大成就, 所建立的许多理论和总结的规律, 是指导人们当前从事金属材料研究开发及生产的重要基础。可以肯定, 随着科学技术的进步和各学科的飞速发展, 一定会促进人们对金属材料的了解日益深入, 一个更加严密、 科学、 完整的物理冶金学必将逐渐建立, 一个更加科学的新材料发展时期必将到来。
