材料科学基础课程教学中的“四要素”

材料科学是20世纪50年代提出的, 以研究和揭示固体材料性质规律为主的一门科学, 目前已经与能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱。《材料科学基础》是材料科学与工程一级学科下设的公共性专业基础理论课, 也是材料科学与工程类专业最重要的技术基础课;该课程内容涉及原子结构、晶体结构、晶体缺陷、相图、扩散、金属和合金的凝固、塑性变形与再结晶以及材料性能等知识, 学生在学习过程中普遍反映内容广、概念多、抓不住重点, 特别是知识点多且分散, 导致学生很难将各个章节串联起来作为一个整体进行学习, 从而致使学生学习起来非常困难, 常常学到后面忘了前面。本文以材料科学与工程的“四要素”为基本点, 以材料结构和材料性能为核心内容, 以物质结构及结构形成为主线, 探讨在讲授《材料科学基础》课程中的总体思路与要点, 以便更好地给学生予以指导。

1 材料科学与工程的四要素:成分、结构、工艺与性能

材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、材料性能, 以及应用之间相互关系的科学, 通常我们将材料的成分、结构、工艺以及性能称为材料科学与工程的“四要素”。上述“四要素”中的性能是材料科学的目标, 人类开发新材料的目的在于利用其性能来满足人类的需要, 这是材料科学发展的本质推动力。

为了获得能满足人类要求的性能, 材料科学工作者往往通过一定的工艺途径, 以自然界中110余种元素构成的物质为原料, 合成出具有新结构的材料, 然后对其性能展开探讨, 这即是材料科学与工程的四要素:以一定的“成分”为探讨对象, 通过一定的“工艺”获得一定的“结构”, 进而满足人类对材料“性能”的要求, 这亦是对材料科学内涵的高度概括。

2 材料科学基础课程应以“结构”和“性能”为核心内容

《材料科学基础》作为材料科学最基本的专业基础课, 必须为材料科学与工程专业的学生奠定良好的专业理论基础, 其内容必须紧扣材料科学与工程的“四要素”。

在材料科学与工程的“成分、结构、工艺、性能”四要素中, “性能”是目的, 是材料科学发展的根本推动力, “结构”是获得该性能的本质, 而“工艺”是获得“结构”的途径与手段, 可以归结为“结构”形成的内容范畴。因而, 在讲授《材料科学基础》的过程中, 应紧扣材料科学与工程的“四要素”, 并将材料的结构与性能作为核心内容进行讲述。

3 将物质结构与结构形成作为材料科学基础课程的主线

材料的结构是该类材料具有某一性能的本质, 按照从微观到宏观范畴的顺序, 材料的结构可以分为:原子的结构、原子间的键合、晶体结构与非晶态结构、相结构与相图、组织结构等内容;其概念范畴依次增大, 涉及到《材料科学基础》的所有内容, 因此在讲授《材料科学基础》课程的过程中, 应该以物质结构及结构形成为主线。

原子的结构实际上属于材料科学与工程四要素中“成分”的内容, 材料科学中的“成分”即来自目前已经发现的110余种元素, 不同的元素具有不同的原子结构, 材料“成分”的内容实际上可以归纳为最微小的“结构”内容。原子的键合是指两个或多个原子形成分子或固体时, 以一定的结合力聚集在一起, 其类型主要取决于原子结构, 并对材料性能起着决定性的影响。

晶态与非晶态结构是固体结构中的两个大类, 其分类是按照原子或基团在三维空间是否做周期性的规整排列来进行划分的, 其概念范畴在原子结构与键合的基础上有了进一步的扩展。晶态结构的原子在三维空间排列规整, 由此导致所构成的材料各向异性并具有固定熔点;非晶态结构的原子在三维空间长程无序, 由此导致所构成的材料各项同性并不具有固定熔点。

相结构是指具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分, 其概念范畴又在晶体结构的基础上进一步扩大。组织结构是指各种晶粒的组合特征, 包括其分布的相对多少、尺寸大小、形状及分布特征等, 其概念范畴又是在相结构的上提升。

通过上述对材料结构范畴的解析, 在《材料科学基础》的授课或学习中, 应该深刻认识到材料结构的重要性, 特别是应该以材料结构为主线, 从微观到宏观的顺序逐渐理解相关内容: (1) 材料组成的最基本单位——原子的结构; (2) 原子与原子之间结合形成的原子键; (3) 相互结合的原子在三维空间排列, 获得周期性规整排列的晶体结构或无序排列的非晶态结构; (4) 通过原子的取代、置换等, 获得晶体结构相同和性质相似的相结构; (5) 不同的相、晶粒组合在一起, 获得一定的显微特征, 从而形成组织结构。上述结构范畴从小到大、从微观到宏观, 每一级结构都对材料性能产生重要的影响。

4 将“成分”与“工艺”融入材料科学基础的“结构”

材料科学与工程四要素中的“成分”即是来自目前已经发现的110余种元素, 不同的元素具有不同的原子结构, 材料“成分”的内容实际上可以归属于最微小的“结构”范畴。材料科学与工程四要素中的“工艺”是指材料的制备方法及过程, 是获得特定“结构”的途径, 其内容主要包括从液相凝固获得固体材料 (如合金的熔制) 、通过固相转变获得固体材料 (如陶瓷的烧结) 、从气相冷凝获得固体材料 (如薄膜的制备) ;这些工艺过程都是为了获得一定的结构, 是结构形成的主要内容, 故也可以将“工艺”融入到“结构”内容中。将“成分”与“工艺”内容融入到“结构”内容中, 实质上遵循了材料科学基础课程中以结构及结构形成为主线的原则。

5 从微观“结构”理论理解宏观“性能”

材料性能是人类追求的目标, 是材料科学发展的本质推动力, 也是《材料科学基础》课程的核心内容之一。材料的性能可以分为结构性能与功能特性两个方面, 结构性能主要是指材料的力学性能, 功能特性主要指材料的热、电、磁、光等性能。

《材料科学基础》课程中的“材料的变形与断裂”实际上就是关于材料力学性能及其微观机理的内容, 该部分内容用微观的位错滑移机制解释宏观的晶体塑性变形机理。材料的功能特性则从固体材料电子结构的角度去解读材料的热、电、磁、光等性能。在上述内容的讲授过程中, 要实现宏观性能与微观结构的有机结合, 并从结构的角度去看性能, 从而将“结构”与“性能”进行统一, 并以结构及结构形成为主线, 让学生有一个清晰的思路, 从而能够轻松掌握《材料科学基础》课程的全部内容。

摘要：以材料科学与工程的“四要素”——成分、结构、制备工艺及材料性能为基本点, 以材料的结构与性能为核心内容, 探讨在讲授材料科学基础课程中的总体思路与要点, 并将物质结构及结构形成作为全课程的主线, 以便更好地给学生予以指导。

关键词：材料科学基础,材料科学与工程专业,四要素

参考文献

[1] 齐义辉, 韩萍.“材料科学基础”课程的教学改革与实践[J].辽宁工学院学报, 2007, 9 (2) :138～139.

[2] 胡赓祥, 蔡珣, 戎咏华.材料科学基础[M].上海交通大学出版社, 2008.

[3] 石德珂.材料科学基础[M].西安交通大学出版社, 2007.