材料科學研究方法概述一．材料的定義、特點與分類1.定義物質經材料合成或材料化后才成為材料，材料具有指定工作條件下使用要求的形態和物理狀態的物質。2.分類材料按物理化學屬性可分為：金屬、無機非金屬、高分子材料、復合材料；按來源可分為：天然材料和人造材料；按用途可分為：功能材料和結構材料；按狀態可分為：氣態、固態和液態。3.材料的幾大效應（1）材料的界面效應材料的界面有晶界、相界、亞晶界、孿晶界等。材料的力學性能、物理性能及化學、電化學性能都與材料的各種界面有著非常密切的關系。材料的形變、斷裂與失效過程，起源于各種界面的占了大部分，材料加工過程中的各種變化也基本上都與界面有關。界面的研究在材料科學中有著重要的地位。不同材料的界面有以下幾種效應。A.分割效應。是指一個連續體被分割成許多小區域，其尺寸大小、中斷程度、分散情況等對基體力學性能及力學行為的影響；B.不連續效應。界面上引起的結構、物理、化學等性質的不連續和界面摩擦出現的現象，如電阻、介電特性、耐熱性、尺寸穩定性等；C.散射和吸收效應。界面處對聲波、光波、熱彈性波、沖擊波等各種波產生的散射和吸收，影響材料的透光性、隔熱性、隔音性、耐沖擊性等；D.感應效應。界面產生的感應效應，特別是應變、內部應力及由此產生的某些現象，如高的彈性、低的熱膨脹性、耐熱性等。界面問題涉及界面兩側原子的對勢、電子態和電子結構、界面原子鍵合的性質、結合能、界面兩側晶體結構和界面晶體結構的關系、界面切變模量、界面位錯形核與反應、環境對界面過程的影響等多方面的問題。界面的熱力學、界面偏析、界面擴散、界面化學反應等都是材料科學中的重要問題，特別是納米材料的界面及其新的效應、復合材料的界面更是現代材料科學研究中的熱點。（2）材料的表面效應晶體表面也是材料界面的一種，只是材料的固體表面和周圍介質（氣體、液體）的界面。材料表面的原子、分子或離子具有未飽和鍵，并且由于結構的不對稱而造成晶格畸變，所以材料表面都具有很高的反應活性和表面能，而且具有強烈降低其表面能，力求處于更穩定能量狀態的傾向。（3）材料的復合效應復合材料具有的復合效應主要有線性效應和非線性效應。線性效應有平均效應、平行效應、相補效應、相抵效應等；非線性效應有相乘效應、誘導效應、共振效應、系統效應等。一般結構復合材料具有線性效應，但很多功能復合材料則可利用非線性效應創造出來，最明顯的是相乘效應。（4）材料的形狀記憶效應具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態下經過塑性變形后，通過加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時，材料又恢復到初始形狀的現象，稱為形狀記憶效應。具有形狀記憶效應的材料稱為形狀記憶材料。（5）材料的動態效應各類材料的失效大都是由量變到質變的動態過程。加強對失效動態過程的分析研究，才能更深刻地揭示材料的失效機理及其控制因素。（6）材料的環境效應由于在材料的加工、制備、使用及廢棄過程中對生態環境造成很大的破壞，使全球環境污染問題變得日益嚴峻。因此，對材料的生產和使用而言，資源消耗是源頭，環境污染是末尾。材料的生產、使用與資源及環境有著密切的關系。（7）材料的納米效應納米材料是超細微材料，是指由微小顆粒（絕大多數為晶體，其特征尺度至少在一個方向上為納米量級）組成的固體，其典型的晶粒尺度為1nm～100nm。隨著物質的超細微化，納米材料表面電子結構和晶體結構發生變化，產生了宏觀物體所不具備的小尺寸效應、量子效應、表面效應和界面效應等四大效應。這就是材料的納米效應。這些效應使得納米材料具有一系列優異的力學、磁性、光學和化學等宏觀特性。小尺寸效應是當超微顆粒尺寸不斷減小，在一定條件下，會引起材料宏觀物理、化學性質上的新變化。量子效應是指當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續變為離散的現象，由此導致的納米微粒的電磁、光學、熱學和超導等微觀特性和宏觀性質表現出與宏觀塊體材料不同的特點。表面效應是指納米粒子的表面原子與總原子數之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性質的變化。界面效應是納米材料的結構有很大比例的原子處于缺陷環境中。二．材料的研究內容1.研究分類（1）材料物理與化學學科以理論物理、凝聚態物理和固體化學等為理論基礎，應用現代物理與化學研究方法和計算技術，研究材料科學中的物理與化學問題。從電子、原子、分子等層次上著重研究材料的微觀組織結構的轉變規律，以及它們與材料的各種物理、化學性能之間的關系，并運用這些規律來改進材料性能，研究開發先進材料與器件，發展材料科學的基礎理論，探索從基本理論出發進行材料設計，著重現代物理與化學的新概念和新方法在材料研究中的應用。（2）材料學學科材料學研究材料的組成、結構、工藝、性質和使用性能之間的相互關系，致力于材料的性能優化、工藝優化及材料的開發與合理應用。材料學是實用性比較強的應用基礎學科，其研究既要探討材料的普遍規律，又要有重要的工程價值。研究的范圍包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料。材料學及其發展不僅與揭示材料本質和演化規律的材料物理與化學學科相關，而且和提供材料工程技術的材料加工過程學科有密切的關系。（3）材料加工工程學科是研究控制材料的外部形狀和內部組織結構，以及將材料加工成人類社會所需求的各種零部件及成品的應用技術的學科。其研究范圍包括金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料等，主要研究這些材料的外部形狀和內部組織結構形成規律，材料加工的先進技術和相關工程問題，材料的再循環技術，加工工程的自動化、智能化及集成化，材料加工工程的質量檢測與控制，材料加工工程模擬仿真，材料加工的模具和關鍵設備的設計與改進。隨著社會的發展和科技的進步，材料加工工程學科的內涵已經超出了原來的范疇，與材料物理與化學、材料學、機械、自動控制等學科有著密切的聯系，是多學科交叉的新學科。2.具體內容（知識點只是偏重于某一類，并非非屬于，各種狀態的改變都是通過之間的關系改變的）2.1組織結構2.1.1基本特性根據不同的目的和研究方法，材料中的結構是有不同層次的。從電子、聲子等到原子、離子、分子，從晶體結構到相、組織，從位錯等缺陷到微觀裂紋。這些不同層次的知識對我們理解材料的各種行為、性能以及物理、化學的本質非常有幫助。宏觀與微觀是相對的。要正確地對待材料結構及其層次，應該注意五個共性問題：可分與窮盡，轉變與守恒，樹木與森林，表象與真實和量變與質變。（1）可分與窮盡原子的英文是Atom，意思是“不可分”。，應該說物質是可分的，人的認識是不可窮盡的。牛頓力學解釋了宏觀現象，但應用于原子結構，遇到了困難，于是產生了量子力學。這是認識運動的發展。另一方面，認識也是有層次的。在比較大的尺度內研究物質時，可以忽略太細的物質結構，可以將這些“組元”作為數學上的點。（2）轉變與守恒在質和能可以互換的條件下，質量與能量的總和保持不變；質量是能量的一種形式，能量又是質量的一種形式。但是，在絕大多數情況下，質量守恒和能量守恒仍然是科學與工程所依賴的兩個基本的規律。系統的質量發生變化時，其內部結構可以發生變化，也可能不發生變化。但是，物質的能量發生變化時，其內能必然要發生變化，而內能又是狀態性質，它的變化必然導致狀態參量的變化。這對于材料來說是尤其重要的，因為結構決定了性能。（3）樹木與森林樹木和樹林猶如部分與整體。從層次來看，由微觀的層次組成宏觀的層次。人們研究材料，到目前為止，有如下的逐步微觀化的層次：連續介質→缺口及裂紋→相及分子→原子→電子。選擇結構的層次，應該根據問題的性質和要求，不要盲目地追求微觀化。一般來說，接近于工程應用尺寸的結構層次的分析和研究，實用性比較大；較深層次的結構分析和研究，則可用于理解和控制現象。因此，應該根據問題的性質去選擇研究的結構層次。研究森林時，就以整個森林為對象，用有代表性的、典型的樹木為樣品來研究森林；研究樹木時，樹木就是整體，從樹木各部分的研究去理解樹木。不能以個別樹皮的圖像來說明森林特征。應當強調指出，當實驗方法的分辨力提高時，則所觀察的試樣面積的代表性是重要的問題。因為在一定面積的視場內，能夠觀察到的試樣面積是與分辨力成反比的。分辨力高的實驗方法才能研究相應的細節，而分辨力低的實驗方法便于研究材料的整體。這也就是樹木與森林的問題。（4）表象與真實從表面觀察到的各種圖像，如何獲得材料內部結構的真實情況，這是關于結構的另一個共性的問題。首先，結構的測定都是采用黑箱法，所以必須理解測量的原理；其次，要考慮上面所討論的樹木與森林的問題，即所觀察到的圖像是否典型及有無代表性的問題；第三，實驗中經常有干擾與假象的問題，儀器、試樣和觀察者的故障與缺陷，都會導致假象。必須強調的是，材料科學主要以實驗科學研究為基礎，所以在實驗過程中所有不正確的方法和操作都會使實驗結果和數據有偏差，甚至是假象。這是必須注意的。（5）量變與質變（納米結構的特性）在自然科學各個學科領域中，某一現象、某一事物從量變到質變是一個普遍的規律，在現代納米材料中更為突出。。當固體微顆粒的尺寸逐步減小時，量的變化在一定條件下會引起理化性質的質變。例如，磁性超微粒子在尺寸小到一定范圍時，就會失去鐵磁性，而表現出順磁性，也稱為超磁性。在許多方面如光、電、熱及化學等性質上表現出與大塊位置有明顯的差別，有時甚至是反常的。2.1.2材料結構的穩定性一般情況下，材料中單相平衡結構都處于能量的谷值。材料結構穩定和亞穩定狀態都能穩定存在，它們都處于能量的低谷。不過，亞穩定高于穩定，從亞穩態轉到穩定態不是自發的，需要借助于某種激活過程克服，激活能由能量起伏提供的。由于動力學和結構學的原因，亞穩態是廣泛存在的。組織或結構的穩定性是指在一定條件下的相對穩定性程度。不穩定的因素是隨環境條件而變化的。2.1.3材料結構的測定與表征材料結構的測定和表征實際上有兩個工作系統，一個是材料，一個是人。對于材料來說，輸入是可見光及環境干擾，輸出是反射波構成的圖像；對于人來說，輸入就是材料測試時所輸出的圖像信息，人們要利用所存儲的知識來進行判斷、表征，然后作出結論，即輸出。這是材料結構測定方法的共性。這兩個工作系統的所有方法都有分辨力和環境干擾的問題。化學組元含量的定性測定，最廣泛應用的是化學分析。現在快速的物理方法，如光譜法、X射線法等，逐步在取代傳統的化學分析法。如需要了解各相或局部區域的化學成分，進行定位分析，有直接和間接的兩種方法。間接法是采用化學的或電化學方法分離要分析的相，再進行一般的或微量的化學分析，并且可用X射線法確定相的結構；直接法有示蹤原子法、電子探針、離子探針、俄歇能譜等。材料結構的排列方式有各種層次。不同的層次有不同的測定方法，適用于不同的場合和滿足不同的要求。使用低倍光學顯微鏡可觀察斷口或剖面，是判斷金屬內部組織的一種簡易的方法。從斷口可了解結晶組織晶粒大小及形狀、斷裂類型等；從剖面可看到內部的宏觀缺陷，如氣孔、裂紋和夾雜物等，若剖面加以腐蝕，還可看到偏析、加工的纖維組織、表面處理的厚度等。如用高倍光學顯微鏡可觀察到晶粒及各相的大小和形狀，這是常用的測定方法。更微觀的層次則需要用X射線和電子顯微鏡了。對于通常意義上的微觀組織結構的表征，有關參量很多，如第二相的形狀、大小、數量和分布等；晶粒的大小、形狀；夾雜物的類別、形狀、數量等。對于原子和電子的運動，為了表征這種運動特征，有許多的結構參量。例如，德拜溫度是表征原子振動的一個重要參量，通過它可以計算原子的最高振動頻率。表征電子平動的重要結構參量有禁區寬度及費米面形狀。任何與電子運動有關的性能，都可以通過測定某些參量來推算材料內部的電子運動和電子結構。2.1.4材料結構的自組織與防生（1）材料的耗散結構所謂的耗散結構是指從環境輸入能量或（和）物質，使系統轉變為新型的有序狀態，即這種形態依靠不斷地耗散能量或（和）物質來維持。非生命系統，這里主要指無生命的材料，熱力學第二定律的觀點認為它們是一個孤立系統，即它們與環境沒有能量和物質的交換，通常可以用下列函數關系來表達：P=f（C，S，M）式中，P為材料的服役性能；C為材料的成分；S為材料的結構；M為材料的組織形貌。因此，它們的系統內部就不可能呈現生命的活性。如果通過眾多的通道，例如，化學的、物理的以及生物的手段為材料提供物質和能量的輸運，就可以用下列函數關系來表達材料的仿生設計：P=φ（C，S，M，θ），θ為環境變量，它意味著環境向材料提供能量和物質就可使“死”的材料變成“活”的材料。根據這種啟發，現在提出了金屬材料疲勞及性能恢復的仿生設計，模仿生物的機能恢復和創傷愈合，向服役的材料施加高密度電流脈沖，使其疲勞壽命等顯著提高。材料的制造及使用過程一般都不是一個孤立系統，應用耗散結構的概念，可以解釋許多材料科學中已知的現象，并且能給人以新思路的啟示。不銹鋼只在氧化性介質中，由于環境提供氧而在不銹鋼表面形成鈍化膜保持不銹性。（2）材料的自組織現象自組織理論是系統科學的核心理論。自組織理論是指一個系統的要素按照彼此的相干性、協同性或某種默契而形成特定結構與功能的過程。自組織過程不是按系統內部或外部指令完成的，而是系統各要素協同運動的結果。自組織理論所描述揭示的耗散結構、協同、循環、突變等過程，從不同側面科學而深刻地揭示了系統從無序走向有序的條件和機理，以及在遠離平衡條件下系統形成有序結構的過程。自然界中系統的演化、物質結構的形成或有序化都是自組織的。自組織必須具備一定的環境和條件：開放系統；遠離平衡態；有隨機性漲落；非線性相互作用。材料的處理、加工過程可以說是自組織的。它是一個開放系統，與外界發生能量或物質交換；將鋼鐵材料進行加熱或冷卻，其過程一般都是偏離平衡態，具有一定的過熱度或過冷度，相變過程才能自發地進行；漲落或起伏是對系統穩定狀態的偏離，材料變化過程中總是有濃度起伏、結構起伏、能量起伏、成分起伏等；非線性的作用可以把微小的“漲落”迅速放大而形成新的結構，結構漲落、濃度漲落等的迅速放大就形成了新相晶核，從而發生相變。如奧氏體形成、珠光體分解、貝氏體轉變和馬氏體相變等都是系統自由焓非線性變化的結果，都是一個漲落、形核、新相長大的自組織過程。根據不同的外部條件和內在因素，系統自己“能動”地組織而形成各種各樣組織結構形態。如珠光體組織有片狀、細片狀、粒狀、針狀等多種子形態；馬氏體有板條狀、片狀、蝶狀、薄板狀、薄片狀、凸透鏡狀等，這些都是材料系統自組織的杰作。近10多年來，有關自組織理論的研究對材料科學產生了相當大的影響。材料科學中的反應-擴散相變過程，材料疲勞過程產生的駐留滑移帶的位錯反應-擴散模型，受中子、質子等高能粒子輻照材料中結構的變化等都屬于材料自組織現象。材料的自組織現象也稱為自適應性。生物品種的存在取決于它們的動態能力，這些能力是自己養育（新陳代謝）、自診斷、自修復、自調整、自繁殖等，這些能力的產生是為了適應環境的變化，所以通稱為自適應。在材料中也有類似的現象。這種功能在材料科學中被歸納為所謂的“S特性”，即自診斷（self-diagnosis）、自調整（self-tuning）、自適應（self-adaptive）、自恢復（self-recovery）和自修復（self-repairing）等。（3）材料結構的仿生生物材料最顯著的特點是具有自我調節功能，就是說作為有生命的器官，生物材料能夠一定程度地調節自身的物理和力學性質，以適應周圍環境。有些生物材料還具有自適應和自愈合能力。所以，如何從材料科學的觀點研究生物材料的結構和功能特點，并且用以設計和制造先進復合材料，是當前國際上材料科學研究的一大熱點。2.2性能2.2.1基本特性材料性能的基本特性材料的性能是一種參量，用于表征材料在給定外界條件下的行為。材料有多少行為，就會有多少性能。對于材料來說，一般情況下能定量地表示其行為的才是性能。性能定量化后，便于統計分析和比較。大部分性能的量都是有單位的（即量綱），只有少數性能沒有單位，是無量綱參量。通過性能的量綱分析，可以加深對性能的理解。由于材料在各種各樣的外界條件下服役，所以材料的性能種類也非常多，如表所列。（1）現象與本質從表可以看出，材料的性能涉及到各種物理、力學、化學、工藝及工程等現象。從現象的本質來看，同一材料的不同性能只是相同的內部結構，在不同的外界條件下所表現出來的不同行為。因此，一方面應該去總結有關的個別性能的特殊規律，另一方面也應該從材料的內部結構以及內因和外因的辯證關系，去理解材料為什么會有這些性能。例如，既要研究材料的各種強度、塑性、韌性的特殊規律，又要應用晶體缺陷理論去研究從變形到斷裂的普遍規律；既要建立與性能有關的各種表觀現象規律，又要探索這些現象的機理。又例如，涉及到材料內部電子運動的電、光、磁、熱等現象的物理性能，可以在材料電子論的指導下得到物理本質的統一。因此，現代材料科學工作者必須運用固體物理和固體化學的知識，才能從本質上理解固體材料的各種性能所涉及的現象。（2）區分與聯系表將材料的性能分為許多種、類和小類只是為了學習和討論的方便，其實，材料的各種性能之間既有區別，又有聯系。因為對同一種材料而言，其內部結構是一樣的，只是在不同的外界條件下有不同性能的行為。表中的復雜性能都是不同的簡單性能的組合，當然會聯系到其他性（3）復合與轉換將異質、異性或異形的材料復合所形成的復合材料，可以具有組元材料所不具備的性能，這就是“復合”的效果。（X/Y）（Y/Z）=（X/Z）（4）主要與次要在材料的眾多性能中，必須根據具體情況，區分主要性能和次要性能。在一般情況下，首先要考慮材料的工藝性能，決定用什么方法生產材料和制造器件；其次是要滿足材料或器件在使用時的力學、物理或化學等方面的要求。材料性能的主要和次要，在某些情況下是可以轉變的。（5）常規與突變（納米材料性能）納米材料的尺寸被限制在100nm以下，這是一個由各種限域效應引起的各種特性開始有相當大的改變的尺寸范圍。當材料或那些特性產生的機制被限制在小于某些臨界長度尺寸的空間之內時，特性就會改變。2.3成分、組織結構對性能的影響2.3.1結構與性能的系統分析材料是一種系統，材料的性能就是系統的功能，也就是系統的輸出。而影響材料性能的外界條件，便是系統的輸入。因此，可以應用系統功能的分析方法和觀點來進行研究。主要方法有黑箱法、相關法、過程法和環境法。（1）黑箱法材料科學中，有許多問題人們還不了解其過程或相互關系的機理。當內部結構或過程不能或不便了解時，為了研究只能從外部來認識過程，可采用黑箱法。黑箱法又稱為系統辨識。由于不知道其內部的變化或結構，認為它是一個“黑箱”，從輸入和輸出的實驗數據來理解性能或結果。如輸入為X，輸出為Y，從實驗可確定：Y=Kf（X）。黑箱法的特點是：A一定的適用范圍。應用黑箱法所確定的關系式，要注意它們的適用范圍。例如，表示應力-應變的虎克定律只適用于彈性變形的范圍；當電壓很高時，反映電壓-電流關系的歐姆定律也需要修正。B物理意義不明確。一般來說，所得到的關系式無明確的物理意義。黑箱法只能表象地“解釋”問題，在一定范圍內它能提供輸入與輸出之間的定量關系。C難于分析影響因素。它不能提出傳遞系數或性能的物理意義及影響因素，更不能提出改變性能的措施。D一般用歸納法得到關系式。（2）相關法眾所周知，材料的組織結構與性能之間有著有機的對應關系。對于所研究的性能σ，在已有理論的指導或大量實驗數據的啟示下，尋求與σ有關的結構參量Si，然后建立σ與Si之間的經驗關系式：σ=f（Si）i=1，2，…，n通過該關系式可以從Si計算σ，并且可通過工藝來改變Si，從而控制σ。相關法的特點是：A它是在已有的理論指導下或已有的實驗數據的啟示下進行相關處理的；B應用統計分析方法得到相關系數，應提出相關關系的可信度；C相關關系式可為性能控制方法提供選擇的基礎，也為理論分析提供依據；D相關關系式有一定的物理意義。（3）過程法相關法解決材料性能的現象問題，過程法則是深入到現象的本質問題。過程法又稱為分析法，是由理論推導出物理或數學模型，由機理本質去研究過程是如何進行的方法。相關法和過程法是相輔相成的，這符合人對自然客觀規律的認識運動。過程法既需要依賴、又需要說明大量的相關法研究的結果；而過程法的研究結果，不僅可加深對相關經驗規律的理解，區分相關的真假與性質，也可為解決材料性能的問題，提供新的、有效的措施和途徑。（4）環境法各種環境（化學的、熱學的、力學的等）因素對于材料性能的影響有兩種類型：（1）弱化———材料在環境條件的使用過程中，強度等材料的性能不斷地下降，使原來的安全設計成了不安全，可以發生材料的失效；（2）強化———材料從環境中消耗物質或能量，形成耗散結構，從而使強度等性能提高，增加了安全度，即強度等材料性能隨著時間而越來越高于原來的狀態。2.4合成制備及成分、性能對合成制備的影響2.5使用效能及成分、性能、組織結構對使用效能的影響2.6成分對組織結構的影響2.7理論、材料設計與工藝設計（軟件）材料設計是依據積累的經驗、歸納的實驗規律和總結的科學原理制備預先確定目標性能材料的科學。2.7.1今后材料設計的特點（1）經驗設計和科學設計并存與兼容。從長遠的觀點看，各結構層次的理論將構成具有指導材料設計功能的知識系統。然而，不管這一知識系統發展到何等程度，總存在大量尚未被理性化的經驗和實驗規律，它們將會在材料設計中得到充分應用。完全不依賴經驗和不進行探索性實驗的材料設計在相當長的時期內是不可能實現的。人們不可超越材料科學的水平，對材料設計提出不切實際的要求，而應該一步一步地攀登。（2）材料設計將逐漸綜合化。隨著材料系統科學的逐步形成和發展，單一的結構層次的材料設計必將逐步被多結構層次設計所代替。單純的結構設計必然轉化為結構和性質相結合的綜合設計。（3）材料設計將逐步計算機化。計算機科學和材料科學將是材料設計的兩大支柱。人們可根據材料科學的知識系統將大量豐富的實驗數據和結果存儲起來，形成數據庫，如合金系相圖、合金系的熱力學性質、晶體結構參數和力學物理性質等。隨著材料科學準確性的提高，又將出現基礎合金系的相結構參數圖、相的主要性能圖等。具有實用性的各種專門材料設計系統將會相繼出現。2.7.2材料設計層次（1）微觀設計層次。空間尺度約1nm數量級，是電子、原子、分子層次的設計。（2）介觀設計層次。典型尺度約1μm數量級，材料被看作是連續介質，是組織結構層次的設計。（3）宏觀設計層次。尺度對應于宏觀材料，涉及大塊材料的成分、組織、性能和應用的設計研究，是工程應用層次的設計。不同層次所用的理論及方法是不同的，不同層次間常常是交叉、聯合的，不同層次的目的、任務及應用也不盡相同。各層次的研究關鍵是根據基礎理論和數據能否發展出符合實際的解析與數理模型，解決不同層次間計算方法的選擇與整合。材料設計在宏觀上是一個系統工程，建立成分、工藝、組織、性能及可靠性之間的數理模型是整個系統優化和控制的基礎，也是實現計算機智能化設計材料的前提。材料科學將發展為材料系統科學，材料設計也必將是系統設計。不同結構層次與不同性質間的理論需要溝通，逐步形成有機聯系的知識體系。單一層次的設計必將被多層次設計所代替。多層次設計必須要建立多尺度材料模型（MultiscaleMaterialsModeling，簡稱MMM）和各層次間相互關聯的數理模型。2.7.3材料設計的主要途徑與方法（1）從相圖角度進行設計在金屬材料領域，這是大家比較熟悉的途徑。例如，根據Sn-Pb二元狀態圖來設計錫鉛焊料；根據Cu-Sn、Cu-Zn相圖設計青銅及黃銅；根據Al-Si-Mg相圖來設計鑄造鋁合金。在熱力學計算相圖方面，如高溫合金中評價σ相的生成條件也有比較好的進展。材料的研究與開發離不開相圖。無論是實測相圖還是計算相圖都是材料研究的基礎。而計算相圖又是人工智能材料設計的重要組成部分。很顯然，合金設計的過程首先是確定多相相平衡成分的過程。世界上進行合金相圖的研究已有100多年的歷史，編輯合金相圖集也有約半個世紀的歷史。由于合金相圖的特殊重要性，研究工作發展很快，并且由實驗實測發展到利用熱力學數據計算相圖。但實測相圖仍然是獲得有實用價值相圖和獲得有關數據的基本方法。目前，許多國家已經開發出了多種這樣的系統軟件，如美國的NBS/ASM、Manlabs數據庫，加拿大的FACT數據庫，歐洲的SGTE數據庫和瑞典的THERMO-CALC相平衡計算與數據庫等程序系統。相圖工作盡管取得了很大的成績，但直到現在為止，其相圖的數量仍然遠遠不能滿足要求，特別是三元系以上的相圖更少。所以，根據相圖來進行合金的設計有比較大的限制，困難也比較多。（2）從數量冶金學角度進行設計從材料工程應用的角度，這是比較切實可行的。所謂數量冶金學，是建立在材料科學與工程基本模型的基礎上，以材料科學與工程的知識、技術為主體，融合計算機技術、應用數學、現代科學方法論等學科所組成的一個交叉學科領域。其基本任務是進行金屬與合金設計、工藝過程及其質量控制等方面的工作。簡單地說，就是進行金屬材料科學與工程中各個環節的定量化工作。從金屬材料的現狀來看，金屬材料已有上萬種牌號。這是多少年來材料工作者工程經驗和研究探索的結果。由于受到科學和技術進步的限制，過去進行金屬與合金材料的研究以及開發的新材料，通常都是用“試錯法”、“加減冶金法”等。這些方法是利用人們積累的經驗來進行研究的，其缺點是費工、費時，成本高，而且準確性差。盡管如此，這些工作深化了人們對金屬材料的認識，為合金設計提供了大量的資料，這是現在進一步開展研究的寶貴財富。目前的合金設計常常是利用回歸分析、主成分分析等數學方法以多項式的形式來表示。有兩種方式：一種是通過實驗實測數據經過統計處理，借助于理論分析進行外推，由外推的優化結果進行實驗，再將數據處理成數學模型；另一種是根據經驗或理論分析，按照正交設計、回歸正交試驗和旋轉設計等試驗設計方法，把試驗結果處理成數學模型，由此找出最優范圍構成新材料設計的基礎。以上方法已經把材料的成分—工藝—組織—性能—可靠性等要素聯系起來。這樣，在進行材料成分設計的同時，還必須優化加工工藝過程，以達到控制組織、性能的目的。成分和工藝是不能分割的，兩者的共同作用決定了組織，從而也就決定了材料的最終使用性能，再加上服役條件（即環境因素），則內外因綜合作用決定了零件的功能及其使用壽命。（3）基于量子理論的設計這是在材料物理科學的基礎上進行設計的。又稱為第一性原理計算，或“從頭算起”（abinitio）。基本方法有固體量子理論和量子化學理論。特別適用于原子級、納米級工程的材料，超小型器件用材料，電子器件材料等方面的計算設計。由于多粒子量子力學的計算，需要引入許多邊界條件，所以難以得到滿意的結果。計算機的發展，可處理數十個粒子的系統，但這和實際應用還有很大的距離。盡管如此，從材料科學的角度進行材料設計的研究，可以從中引出許多材料設計的課題。例如，二元合金的配合。從物理化學角度解釋合金的配合，并用電負性和電子空位濃度來說明金屬間化合物的存在范圍。（4）基于物理、數值模擬的設計計算機模擬技術是材料設計科學中的一個分支。在20世紀80年代就進行了材料淬火過程的計算機模擬并建立了Metadex數據庫。在材料加工的各個過程都取得了比較大的成功。在國外，高強度微合金化鋼薄板的生產是全程計算機模擬控制。目前在材料計算設計領域中，主要進行了新材料開發過程中的一些現象的計算機模擬。對材料結構和性能的計算機模擬一般由兩部分組成：A材料本身的模型化，它的結構要受到兩個因素的制約，即結構要盡量接近實驗觀察到的形態和受到計算機內存和計算時間的限制。B對實驗觀察到的物理性質及有代表性的特征進行模擬計算。分子動力學計算機模擬是研究復雜的凝聚態系統的有力工具。由于納米材料的晶體尺寸在納米量級，運用分子動力學計算機模擬納米材料的性質是很有希望的。（5）多尺度材料模型與計算設計多尺度材料模型（MultiscaleMaterialsModeling）一般是由三個不同尺度的模型組成，即連續介質和介觀層次、微觀層次及原子層次材料模型。材料的性質，特別是力學性能，通常與多種尺度的過程相關聯。各個尺度間強烈的相互關系形成了材料所表現的各種宏觀行為，所以這些行為的物理本質就具有多尺度性。而且也只有從微觀到宏觀的系統研究，才可能真正地揭示材料過程的本質，從而達到控制與設計材料的目的。大約三四十年前人們就認識到必須從多層次上采用系統科學的方法來研究材料的性質和行為。但多尺度材料模型的定義、目標及可行性是近幾年才正式提出，并開展研究。盡管時間短，但已經成為一個新的跨學科的研究領域。MMM實驗室也在世界各個大學和研究所迅速成立。建立多尺度材料模型的目的在于跨越不同層次的模型及模擬方法間存在的不連續性，在傳統的單一尺度模型研究的基礎上，實現低尺度的物理細節，例如原子和電子層次，與連續介質模型的關聯。多尺度材料模型的研究是跨學科的。2.7.4材料（計算）設計的主要技術（1）材料數據庫和知識庫技術數據庫是隨著計算機技術的發展而出現的一門新興技術。材料數據庫和知識庫是以存取材料知識和數據為主要內容的數值數據庫。數據庫一般應包括材料的性能及一些重要參量的數據，材料成分、處理、試驗條件以及材料的應用與評價等內容。知識庫主要是材料成分、組織、工藝和性能間的關系以及材料科學與工程的有關理論成果。它是實現人工智能的基本條件。實際上知識庫就是材料計算設計中的一系列數理模型，用于定量計算或半定量描述的關系式。數據庫中存儲的是具體的數據值，它只能進行查詢，不能推理，就像倉庫一樣。而知識庫中存儲的是規則、規律，通過數理模型的推理、運算，以一定的可信度給出所需的性能等數據；也可利用知識庫進行成分和工藝控制參量的計算設計。利用數據庫和知識庫可以實現材料性能的預測功能和設計功能，達到設計的雙向性。（2）材料設計專家系統材料設計專家系統是指具有相當數量的與材料有關的各種背景知識，并能運用這些知識解決材料設計中有關問題的計算機程序系統。傳統的專家系統主要有優化模塊、集成化模塊、知識獲取模塊。最理想的專家系統是從基本理論出發，通過計算和邏輯推理預測未知材料的性能和制備方法。但由于影響材料的組織結構和性能的因素極其復雜，這種完全演繹式的專家系統還難以實現。目前的專家系統是以經驗知識和理論知識相結合為基礎的。材料設計專家系統主要有三類：A以知識檢索、簡單計算和推理為基礎的專家系統。B智能專家網絡系統。這是以模式識別和人工神經網絡為基礎的專家系統。模式識別和人工神經網絡是處理受多種因子影響的復雜數據集、用于總結半經驗規律的有力工具。C以計算機模擬和計算為基礎的材料設計專家系統。在對材料的物理、化學基本性能已經了解的前提下，有可能對材料的結構與性能關系進行計算機模擬或用相關的理論進行計算，以預測材料性能和工藝方案。（3）材料計算設計中的計算機模擬計算機模擬是利用計算機對真實的材料系統進行模擬“實驗”，提供實驗結果和指導新材料研制，是材料設計的有效方法之一。（4）基于數據采掘的半經驗材料設計材料結構與性能關系和材料制備或加工過程控制是材料研究開發的共同問題。由于這些問題涉及的體系非常復雜，所以用解析方法很難得到解決，而相似理論、量綱分析和無量綱參數往往有用武之地。主要的方法是：A盡可能根據理論知識設計出能描述研究對象的多個無量綱數或參數，以其為坐標軸張成多維空間，作為研究半經驗規律的工具；B將大量的實測數據或經驗知識記入上述多維空間，考查多維空間中數據樣本分布規律，建立數學模型，并用以預測未測、解決實際問題。利用這些軟件可以預測合金相，預報材料性能和合金相圖特征量，可以優化材料制備工藝，進行輔助實驗探索和輔助智能加工等。2.7.5數學方法在材料（計算）設計中的應用數學是科學技術中一門重要的基礎性學科，在長期的發展過程中，它不僅形成了自身完美、嚴謹的理論體系，而且成為其他科學技術必需的研究手段和工具。隨著科學技術的飛速發展，數學的科學地位發生了巨大的變化。現代數學在理論上更加抽象，方法上更加綜合、更加精細，應用上也更加廣泛。數學與材料科學交融產生了許多新的生長點，數學直接為材料科學中非線性現象的定性和定量分析提供了精確的語言，有利于從理論的高度研究材料的內在規律。現代數學方法的科學嚴謹的特點將為材料優化設計、熱應力計算、斷裂分析、數值模擬以及結構表征、缺陷分析等許多方面提供強有力的研究工具，也為材料科學目前遇到的大量無規律、非線性的復雜問題提供解決辦法的新思路，今后將會得到更為廣泛的應用。主要方法有：有限元法、遺傳算法、分形理論、小波分析、拓撲學等。2.8材料失效分析（補充1）2.9材料使用與環境評價方法、協調性設計（補充2）三．材料研究發展趨勢、特點及思路材料科學有三個重要特點：一是多學科交叉，它是物理學、化學、冶金學、金屬學、無機非金屬材料、高分子化學及計算科學相互融合與交叉的結果；二是與實際使用密切結合，發展材料科學的目的在于開發新材料，提高材料性能，合理使用材料，同時降低材料成本和減少環境污染等；三是正在發展中，它不像物理、化學等學科已經有了一個很成熟的體系，材料科學將隨著各相關學科的發展而得到不斷的充實和完善。1.材料學科的交叉和滲透（具體及包括其他學科的影響導出部分2）（1）三大材料的交叉，衍生出許多的復合材料；（2）基礎學科向各材料學科的交叉和滲透；（3）各材料學科之間的相互滲透、移植與借鑒；（4）在制造技術上也是互相滲透、移植和借鑒；（5）新技術在各類材料中都得到廣泛應用。2.學科趨勢（系統本體情況）（1）各類材料逐步趨向統一隨著人們對材料本質認識的深化，發展新材料已逐步擺脫炒菜式的老經驗，而要依賴于材料的設計。各類材料逐步統一。各類材料的嚴格區分逐漸在減小或消失。無論是金屬材料、還是無機非金屬材料或是有機高分子材料，它們的原子排列都會出現晶態、非晶態和微晶態（納米級）幾種基本狀態。各類材料相互取代、補充，相互競爭。各類材料的一些原理相通，分析測試手段相同。（2）材料的發展和應用是系統工程（材料設計）通過模型（六面體）可以進行材料設計或工藝設計，以達到提高性能及使用效能、節約資源、減少污染及降低成本的最佳狀態。材料設計可以從電子、光子出發，也可以從原子、原子集團現代材料科學與工程的四元關系出發，可以從微觀、顯微到宏觀，視具體要求的性能而定。為實現材料設計，必須開展深入的基礎研究，以了解物質結構與性能的關系，要建立完整的精確的數據庫，建立正確的物理和數學模型，重要的是各學科人員之間的通力合作。這是材料科學與工程最終努力的目標。以往發展新材料只注重材料的成分，而忽視了工藝或兩者分離。新材料的突破往往依賴于材料加工的技術突破。（3）科學與工程的全面融合現在是按照高技術產品的特點要求來開拓新性能、設計新材料及制造新工藝。對此往往無現成的經驗可以依靠，所以必須依賴于現代儀器、基本理論以及計算機模擬等技術來解決問題。從這點上說，科研、開發和生產的有機結合是發展新材料的有效的道路。現代材料科學與工程的特點是科學的技術化，技術的科學化。科學和技術在材料研究，特別是新材料的研究開發過程中是密切聯系和有機結合的。（4）多學科和跨學科材料科學與工程研究的是包羅萬象的各種材料，探討它們的成分、組織結構、合成和加工技術、物理和化學等各項性質及其應用之間的關系，涉及科學和工程的各個側面，從而決定了它必然是多學科和跨學科的。當今的材料時代對于材料工作者、科學家和工程師提出了越來越高的要求，要求他們具備廣闊的知識、深入的理論修養和豐富的實際經驗。科學方法的跨學科應用在現代科學發展過程中將越來越多。宏觀事物具有統一性，所以不同學科之間存在著一定的共性和相似性。科學作為一個有機的整體，在各學科、各方向中存在著相互滲透和相互支撐的密切關系。現代科學的細致分工，使一個學科的研究方法得以發展得非常細，其他學科直接或間接地加以借鑒運用，實際上是一種思維方法的復制。“他山之石，可以攻玉”。借鑒和應用其他學科的科學方法和研究新進展，可省去在本學科體系內從頭發展類似的方法，從而達到事半功倍的效果。近年來，材料學的發展得益于物理、化學、力學和信息科學等學科的理論、方法與研究手段向材料學的滲透，借助于這些學科的成果使材料科學逐漸向精密科學過渡，并進入到現代自然科學的前沿。組織交叉學科研究是材料科學有所突破的必由之路。物理、化學、數學、生物、分子生物學、醫學、計算數學、化工、電子、機械、環境、能源等各類知識的融合與運用，成為當今材料科學與工程進展的新突破的重要特征，材料科學與工程是一門充滿生機、正在發展中的理工兼容的學科。（5）新思維、新方法、新發現和新理論不斷產生新材料的發展不僅是科技進步、經濟發展、軍事先進的物質基礎，同時也改變著人們的思維方式和實踐方式，推動著社會的進步。許多新材料開發的思路、研究與應用的過程本身就孕育著嶄新而深刻的認識論與方法論，不斷地產生新理論和新發現。（6）綠色材料科學技術新材料的發展，無論是金屬材料、無機非金屬材料還是有機高分子材料等研究開發，都與資源、能源及環境密切相關。為確保人類社會經濟的可持續發展，必須發展綠色材料科學技術。現代材料的發展不僅要求材料有優異的性能，而且要求材料的制造、使用和廢棄的整個生命周期都應與生態環境相協調。為此20世紀90年代初提出了環境意識材料、生態環境材料、綠色材料、環境友好材料、發展綠色材料科學技術等，并且特別重視發展綠色化學—化工。研究和開發新材料及其產業化時必須從微觀和宏觀結合的要求出發，把材料的化學成分與物理結構、性質、使用性能、制備及加工，以及環境與資源等因素進行系統的優化設計，走可持續發展的道路。3.材料思維方法（1）歸納與演繹法推理是根據一個或一些判斷得到另一個判斷的思維形式。可以從不同的角度對推理進行分類，根據前提與結論之間的聯系特征，分為歸納法和演繹法兩大類。歸納法是前提與結論之間有或然性聯系的推理，歸納是從特殊到一般；演繹法是前提與結論之間有必然性聯系的推理，演繹是從一般到特殊，其大前提多是一般性原理或公理。（2）分析與綜合法分析就是把研究對象分解成幾個組成部分，然后分別加以研究，從而認識事物的基礎或本質的一種科學研究方法。分析方法是以客觀事物的整體與部分的關系為客觀基礎的。事物的各種屬性、部分或關系從不同方面表現了事物的整體性。客觀事物中的整體和部分之間的關系使分析方法成為可能和必要。分析方法在思維方式上的特點，在于它從事物的整體深入到它的各個組成部分，通過深入地認識事物的各個組成部分來認識事物的內在本質或整體規律。基本上有三個環節：A把整體加以“解剖”，從整體中按照一定特性分離出各個部分；B深入分析各個部分的特殊本質，這是分析方法的重要環節；C進一步分析各個部分的相互聯系、相互作用的情況，了解它們各自在整體中的地位、作用，了解各個部分之間的相互作用的規律。由于分析方法具有以上特點，所以它在科學認識發展中具有重要的意義。它使科學認識從一個層次發展到更加深入的層次，它是使現象的認識進入到本質認識的重要條件。分析方法幾乎貫穿于科學研究的全過程，并且滲透到所有的研究方法中。綜合的作用與特點綜合方法與分析方法相比，兩者認識過程的方向是完全相反的。所謂綜合方法，就是把研究對象的各個部分聯系起來加以研究，從而在整體上把握事物的本質和規律的一種科學研究方法。綜合方法在思維方式上的特點是，它把事物的各個部分聯結為整體時，力求通過全面掌握事物各部分、各方面的特點以及它們之間的內在聯系，然后加以概括和上升，從事物各部分及其屬性、關系的真實聯結和本來面目，復現事物的整體，綜合為多樣性的統一體。（3）類比與移植法類比法是指通過兩個或兩類事物或現象進行比較，根據相似點或相同點推論出它們的其他屬性或規律，也可能有相似點或相同點的結論。這是以比較為基礎，既包含從特殊到特殊，又包含從一般到一般的邏輯思維方法。類比法根據不同特點有數學相似類比法，因果類比法，綜合類比法，對稱類比法，剩余類比法等幾種類型。因果類比法是根據兩個對象的各自屬性之間都可能具有同一種因果關系而進行推理的。該方法的結論有比較好的可靠性，但這種特殊對象的因果關系不一定適合另一個特殊對象，所以它仍然是一種或然性的推理。對稱類比法是根據對象的屬性之間具有對稱性而進行的推理。其結論往往比因果類比的可靠性程度高，當然它也是屬于或然性的推理。數學相似類比法是根據對象的屬性之間具有某種確定的函數變化關系來進行推理的。它可以定量地描述屬性之間的關系，可靠性程度比較高。綜合類比法是根據對象屬性的多種關系的綜合相似而進行的推理。綜合類比法由于是根據屬性的多種關系來研究的，所以其結論基本上是可靠的。但實際上也不可能把所有的關系都綜合進去，因此有時也會帶有或然性。所謂移植方法是指將某學科的原理、方法或技術等應用于研究和解決同一學科內的分支科學或其他學科和技術領域的理論、技術或方法問題，又稱為轉域創造法。它是通過橫向、縱向聯想和類比等方法進行的。所以移植法和類比法、聯想法有密切的聯系或相似。移植方法的特點是：A移植方法具有顯著的創新性。移植不是機械照搬，這中間需要運用類比法、科學概念、綜合方法、系統方法及科學想象力等多種創造性方法。B移植方法具有綜合性。只有對該學科的研究成果和其他學科的情況有比較深的領悟，才能科學地運用移植法。移植方法也可以分成幾種類型：A技術移植創新法，技術移植可以發明新技術、新產品；B原理移植創新法，適用于科學原理相同的情況；C方法移植創新法，將某學科內的某種方法應用到另一學科中去；D綜合移植創新法，多學科的多種研究成果綜合地移植到另一學科。這方法有比較大的難度，中間要經過理論思維、綜合分析和重新組合等過程。其他還有結構移植創新法、縱（橫）向移植法等類型。（4）數學與模型法數學方法是揭示研究對象的本質特征和變化規律的一種方法，是解決科學技術常用的，也是最重要的方法。具體說來，數學方法是運用數學所提供的概念、理論和對研究對象進行數量、結構等方面的定量的分析、描述和推導及計算，以便從量的概來對研究的問題作出分析、判斷，認識事物變化的本質規律。數學方法在科學技術研究中的作用主要有：為科學研究提供簡潔精確的形式化語言，用來描述問題、表達科學內容；為科學研究提供數量分析和計算的手段與技巧，達到精確把握事物的本質特點和變化規律的目的；為科學研究提供可靠的邏輯推理和證明的工具，以便能作出科學預見，把握感性經驗以外的客觀世界。在材料科學中，研究微觀粒子運動規律的量子力學，就是在獲得了非歐幾何、希爾伯特空間等數學工具后才發展起來的，現代興起的材料計算學中的第一性原理計算就是建立在量子力學和量子化學等基礎上的。模型化方法模型化（Modeling）是用適當的文字、圖表和數學方程來表述系統的結構和行為的一種科學方法。系統模型化是系統分析過程中的一個重要環節。其中數學模型方法就是通過建立和研究客觀對象的數學模型來描述和揭示事物本質特征和變化規律的一種方法。它是解決科學技術問題最常用和最重要的研究方法。作為數學模型，一般須具備以下條件：A既要反映現實原型的本質特征和關系，又要加以合理的簡化；B要能夠對所研究的問題進行理論分析，邏輯推導，并能得出確定的解；C求得的解要能回到具體研究對象中去，解決實際問題。像其他事物分類一樣，根據不同的目的、內容，從不同的角度其分類也不同。按建立模型的方法有理論型，經驗型；按變量性質分類有確定性和隨機性型；按函數關系分，有線性和非線性型；還有其他方法的分類。這里簡單介紹理論模型和經驗模型。模擬亦稱為仿真（Simulation），是模型化的繼續。有了模型后，還必須采用一定的模擬方法，對這初步的模型進行測試、計算或試驗。通過模擬，可以獲得問題的解答或改進模型。模擬基本上可以分為三類：幾何模擬，用放大或縮小的方法制備與系統原型相同的模型；數字模擬，對于建立的數學模型，可以用計算機等方法進行計算模擬；物理模擬，采用類比或相似等方法進行模擬試驗。（5）系統與優化法系統是由若干相互聯系、相互作用的要素組成的，具有特定功能的有機整體。系統方法就是從系統整體的觀點出發，從系統與要素之間，要素與要素之間，以及系統與環境之間的相互聯系、相互作用中考察對象，以達到最優化地處理問題的科學方法。原則：A整體性。整體是由部分組成的，是有機的結合，其本質是整體與部分的統一，整體的功能不等于它的各個組成部分功能的總和。系統具有各個組成部分所沒有的新功能，但是系統的功能又是由內部要素相互聯系、相互作用的方式所決定的。B最優化。最優化就是從多種可能的途徑中，選擇出最優的系統方案，使系統處于最優狀態，達到最優效果。實際上最優化就是自然界物質系統發展的一種必然趨勢。以生物系統來說，在長期的生物進化過程中，各種生物都形成了最好地適應周圍環境的精巧完善的系統結構和最優的整體功能。（6）假說與理論法科學假說的特點和作用在科學研究過程中，在通過觀察和實驗獲得事實數據材料的基礎上，進行理性思維的和概括，對所研究的對象提出帶假定性的解釋和說明，即科學假說。科學假說和科學理論是自然科學研究發展的重要形式，它們不僅是科學研究活動的一般成果，而且是科學研究過程的重要環節和基本方法。科學假說也就是根據已知的科學原理和科學事實，對未知的自然現象及規律性所作出的一種科學假定性說明。一般有兩個特點。A假說以一定的科學事實和已知的科學知識為依據，具有科學性。B假說帶有一定的想象、推測的成分，所以具有或然性。科學假說的基本特點決定了它在科學認識過程中具有兩方面的作用。A科學假說在科學觀察和實驗中具有先導作用。（2）科學假說在科學理論的形成和發展過程中起著橋梁的作用。從假說的基本特點來看，提出科學假說須遵循如下四條方法論的原則。A解釋原則；B對應原則；C簡單性原則；D可檢驗性原則。科學理論是從科學實踐中抽象出來，又為科學實踐所證實，反映客觀事物的本質和規律的概括性知識體系。科學理論具有如下基本特征。A內容上的客觀真理性。B結構上的邏輯完備性。C功能上的科學預見性。科學理論的邏輯結構由三個邏輯要素組成：基本概念、基本原理或定律和邏輯結論。從科學理論的方法結構來看，它也由三個要素組成：抽象模型工具、概念語言工具和數學工具。抽象模型工具是表達科學理論的核心部分，是揭示和表征客體本質的近似圖像。模型不僅是以專業術語形式的概念語言來描述和表達的，而且是以數學形式來表達的。概念語言工具是建立的專門術語和語言的總和，是建立理論體系的過程中聯系思想模型和經驗材料之間的思維工具和形式。（7）原型啟發與仿生法原型啟發法，主要是對自然現象進行觀察、探索受到啟發來進行科學研究和創造發明的。啟發是從其他事物、現象中得到啟示后，找出解決某一問題的途徑。起啟發作用的事物稱為原型。如自然現象、日常生活、日常用品等都可以成為原型。仿生法實際上是指原型啟發法中的原型為自然界的動植物或自然現象。原型啟發法的原理和方法如圖：4.材料研究的模型化與模擬科學研究的根本目的在于認識世界、改造世界。然而，現實世界的絕大部分規律既不那么顯而易見，也不那么簡單，以至于如果我們不借助抽象概念就難以把握世界的本質規律。科學抽象意味著借助模型來研究現實世界某一方面的規律。設計和建立模型的過程被認為是模型化中的基本步驟和最重要的環節。模型化作為經典的科學研究方法，將真實情況簡單化處理，建立一個反映真實情況本質特性的模型，并進行公式化描述。所以，抽象化建立模型可以認為是提出理論的開始。應該指出，就模型的建立而言，不存在嚴格而統一的方法，尤其在材料科學研究領域，所處理的是各種不同的尺度范圍和不同的物理過程。“模型化（modeling）”和“模擬（simulation）”常被人為地區分開來，實際上這兩個詞可以簡單地當作同義詞使用。從現行科學意義上理解，“模型化”即模型公式化和數值模型化。后者經常被看作數值模擬的同義詞使用。4.1材料研究的模型化4.1.1模型化的基本概念（1）大于原子尺度的模型化就建立微結構演化模型來說，最理想的方法可能就是求解所研究材料的所有原子的運動方程。這一方法能給出所有原子在任一時刻的位置坐標和速度，也就是說，由此可預測微結構的時間演化。在這種模擬方法中，構造模型所需要的附加經驗性條件越少，其對原子之間相互作用力的描述就越詳盡。當所研究的尺度為連續體近似時，與在原子尺度上的從頭計算方法相比，其模型在本質上包含有唯象理論的成分，并且超出原子尺度越遠，其模型中的唯象成分就越多。原子方法主要用于納米尺度范圍的微結構模擬，而對介觀和宏觀系統，由于含有1023個以上原子數目，要應用原子方法進行處理是非常困難的。就目前而言，即便采用球對稱型原子對勢，原子模擬方法也只能處理到最多108個原子。因此，對于大于納觀尺度的微結構進行模型化時，應考慮連續體模型。由于實際微結構非常復雜，所以要在連續體尺度上，選擇能夠準確刻畫微結構特征的因變量，將是一件艱巨而重要的任務。原子方法主要用于納米尺度范圍的微結構模擬，而對介觀和宏觀系統，由于含有1023個以上原子數目，要應用原子方法進行處理是非常困難的。為了獲得關于微結構的合理而簡單的模型，首先要對所研究的真實系統進行實驗觀察，由此推導出合乎邏輯的、富有啟發性的假說。根據已獲得的物理圖像，通過包括主要物理機制在內的唯象本構性質，就可以在大于原子尺度的層次上對系統特性進行描述。唯象構想只有轉換成數學模型時才有實用價值。轉換過程要求定義或恰當選擇相應的自變量（亦稱為獨立變量，independentvariables）、因變量（dependentvariableorstatevar-iable），并進而確立運動方程、狀態方程、演化方程、物理參數、邊界條件和初值條件以及對應的恰當算法，見下表。（2）自變量與因變量根據定義，自變量可以自由選取。在近來發展起來的高級微結構模型中，一般把時間和空間坐標作為自變量。因變量是自變量的函數。如不考慮它們的歷史，因變量的取值決定了系統在任一時刻所處的狀態。在經典熱力學中，因變量分為廣延變量（與質量成正比）和強度變量（與質量無關）。在微結構力學中，還經常作進一步的區分，例如分為顯含因變量和隱含因變量。顯含因變量是表示占有空間的微結構性質的一類量，諸如粒子或晶粒大小；隱含因變量則表示了介觀或宏觀平均值。但因變量太多，就使得物理模型變成了經驗性的多項式模型。材料種類及其制造過程是很復雜的，大部分難以找到簡明的描述方式，所以在工業領域多變量模型化方法很有用，有時還是必要的。盡管如此，多變量方法對于從物理本質角度來說是一種并不理想的方法。因此，本構模型化的關鍵問題就是在可調參數和具有明確物理意義的因變量之間尋找到一種“平衡”。（3）運動學方程和狀態方程對固體來說，運動學方程常用于計算一些相關參數，例如應變、應變率等。運動學約束條件常常是由樣品制造過程和研究時的實驗過程所施加的。通過狀態方程可以把材料的性質與因變量的實際取值聯系起來，諸如電阻、屈服應力、自由焓等。由于因變量通常是自變量的函數，所以狀態方程的值也依賴于自變量。狀態方程是與路徑無關的函數。這就意味著，在不計因變量初值和演化歷史時，由狀態方程提供了計算材料性質的基本方法。關于狀態方程的基本參數值，可以通過模擬和實驗導出。通常，微結構狀態方程可以把材料的內部和外部變化的響應定量化，即不同的狀態方程表示了材料的不同特性。（4）各種參數狀態方程的因變量具有以各種參數為基礎的加權平均性質，并要求具有一定的物理意義和經得起實驗或理論的檢驗。無論哪一種模擬方法，要確定各種恰當的參數并具體給出它們的正確取值都是非常難的，尤其是對于介觀尺度上的材料模擬來說，更是如此。在介觀尺度上，各參數的取值還將依賴于其他參量，并且與因變量本身有關。這就意味著，在構成狀態方程的要素中包含有非線性因素，并與其他狀態方程組成耦合方程組。此外，許多材料參數對狀態方程都具有較強的直接影響，例如在熱激活的情況下，其參數與變量之間是指數函數。晶（粒邊）界運動的活化能出現于指數項中，并強烈地依賴于近鄰晶粒之間的取向偏差、晶界平面的傾角和晶界處雜質原子的濃度。前面提到的運動學方程、狀態方程、演化方程等，在形式上可以以代數的、微分的或積分的形式建立起來，這取決于所選擇的因變量、自變量以及所確立的因變量數學模型。所有方程和各種參數一起共同刻畫了材料的響應特性，這就是本構方程。4.1.2數值模型化與模擬前面討論的屬于模型構造（或模型設計）的范疇。模型化的第二層意思，就是與模型相聯系的有關控制方程的數值解法。這一過程常被定義為“數值模型化”，或稱之為“模擬”。這是指“關于一系列數學表達式的求解”，亦即通過一系列路徑相關函數和路徑無關函數以及恰當的邊界條件和初值條件，可以把構造模型的基礎要素定量化。盡管數值模型化和模擬兩者從根本上說的是同一件事情，但在使用中二者常常會以稍有區別的方式出現。一般而言，把數值模型化理解為建立模型和構造程序編碼的全過程，而模擬則常用于描述“數值化實驗”。根據這樣的理解，模型化是由唯象理論及程序設計的所有工作步驟構成；而模擬所描述的則僅僅是在一定條件下的程序應用。數值模型化和模擬的區別，還與“尺度”有關。“數字模型化”一詞主要用于描述宏觀或介觀尺度上的數值解法，而不涉及微觀尺度上的模型問題。對于微觀體系中的模型計算通常稱為“模擬”。例如，把分子動力學所描述的原子位置和速度說成是由模擬方法獲得的，而不是說成是由模型化方法獲得的。在使用“模型化”和“模擬”兩個詞時多少帶有一些隨意性和不一致性。在模型化和模擬之間，其明顯差別則是基于這樣的事實，即許多經典模型不需要使用計算機，但可以表達成嚴格形式而給出解析解。然而，可以用解析方法進行求解的模型通常在空間上不是離散化的，例如許多用于預測位錯密度和應力且不包括單個位錯準確位置的塑性模型。模擬方法通常是在把所求解問題轉化為大量微觀事件的情況下，提供一種數值解法。所以，“模擬”這一概念常常是和多體問題的空間離散化解法結合在一起的（如多體可以是多個原子、多個分子、多個位錯、有限個元素）。下面給出模擬與數值模型化定義。所謂微結構模擬，是通過求解在空間和時間高度離散化條件下反映所考慮的基本晶格缺陷（真實的物理缺陷）或準缺陷（人工微觀系統組元）行為特性的代數型、微分型或積分型方程式，給出關于微觀或介觀尺度上多體問題公式化模型的數值解。微結構數值（或解析）模型化，是指通過在時間高度離散化而空間離散化程度低的情況下關于整個晶格缺陷系統的代數型、微分型和積分型控制方程式的求解，給出宏觀模型的數值（或解析）解。當在同一尺度層次上應用于處理同一物理問題時，數值模型化一般要比模擬速度快，這就是說，數值模型化可以包括更大的空間尺度和時間尺度。數值模型化的這一優勢是非常重要的，尤其在工業應用方面這一優勢更為突出。但由于數值模型化通常在空間上離散化程度較低，所以在定域尺度上其預測能力較差。4.1.3模型的基本范疇與分類（1）空間尺度與維度（數）根據不同的近似精度，可以對微結構模型進行分類。通常，把模型簡單地按照其所使用的特征尺度來劃分。一般可把模型分為四類，即宏觀模型、介觀模型、微觀模型和納觀模型。宏觀一詞與材料樣品的幾何形狀及尺寸相聯系，介觀對應于晶粒尺度上的晶格缺陷系統，微觀則相當于晶粒尺度以下的晶格缺陷系統，而納觀是指原子層次。也可以選擇三種劃分法，即宏觀尺度、介觀尺度和原子尺度。根據模型的空間維度來劃分，即一維、二維和三維。在研究中，二維和三維模型較為流行。它們之間的差異對其結果的合理解釋至關重要。例如，對于包含滑移且具有一定幾何形狀的系統，以及位錯相互作用系統，不能用二維模擬方法進行處理，而只能采用三維模擬方法。這一點在Taylor型模擬和較為復雜的晶體塑性有限元法中是非常重要的。即使是常規的有限元模擬方法，分別由二維和三維模型獲得的預測結果之間的差別也是不可忽略的。例如，在對軋制過程的二維有限元法模擬中，板材的橫向增寬一般可以忽略不計。當把位錯動力學從二維推廣到三維時，能夠正確描述位錯增殖效應，而這在二維模擬中是不可能的。（2）空間離散化空間離散化程度可以分成兩類，即連續體模型和原子模型。連續體模型是在考慮了唯象和經驗本構方程及附加的約束條件下，建立描述材料響應特性的微分方程。連續體模型的典型例子有經典有限元模型、多晶體模型、自洽方法、位錯動力學方法以及相場模型等。如果要獲得微結構性質更為詳細的預測信息，則連續體模型將代之為原子模型。原子模型可給出更好的空間分辨率，與連續體模型相比，原子模型包含有較少的唯象假說。原子模型的典型例子有經典分子動力學和蒙特卡羅方法。實際上，基于第一性原理的從頭計算模型，其主要目的在于對有限數目的原子的薛定諤方程給出近似解。通過分子動力學與緊束縛近似或者局域密度泛函理論相結合，以及通過蒙特卡羅方法，可以演繹出各種不同的從頭計算方法。它們在關于材料的基本物性、基本結構及簡單晶格缺陷行為特性的預測方面，其重要性逐漸增加。（3）預測性特征模型具有預測性特征。確定性模型，就是基于把一些代數方程或微分方程作為靜態方程和演化方程，以明確嚴格的模擬方式描述微結構的演化。隨機性模型，就是使用概率方法對微結構的演化進行模擬描述。建立隨機性模型的目的在于采用一系列隨機數去完成大量的計算機實驗，從而實現模擬。隨機性模型在微結構空間離散化模擬方面的推廣應用有了很大發展。如蒙特卡羅方法是常規隨機性模型的典型例子。近年來，人們提出了各種改進型方法，并在空間離散化微結構模擬方法中引入了微觀隨機性概念。空間離散化隨機性方法的典型例子有研究擴散和短程有序的蒙特卡羅模型，模擬微結構非平衡相變現象的動態波茨模型，研究微區塑性、擴散、斷裂力學和多孔介質性質的隨機性逾滲模型，以及通過朗之萬力來處理熱激活過程的位錯動力學高級模擬方法。（4）描述性特征第一性原理模型，其目的在于通過最少的假說與唯象定律，獲得構成所研究系統的根本特性和機理。其典型例子就是基于局域密度泛函理論的模擬方法。顯然，即使是第一性原理模型，也一定含有一些既無法說清其根源也無法證明其正確性的假說。計算材料學中的大多數模擬方法都是唯象的，亦即它們使用了必須與某些物理現象相符合的狀態方程及其演化方程。在這些方法中，大多數原子的詳細信息諸如電子結構，通常是在考慮了晶格缺陷的情況下平均給出的。經驗性方法可以在要求的精度范圍內，從數學角度給出與實驗結果相吻合的結論。因此，它們一般不含有晶格缺陷的行為特性。然而，唯象模型公式化的過程可以看作是一個基本的步驟，在其中必須確定哪些因變量對系統性能有較強的影響，哪些因變量對系統的影響較弱，但在經驗性模型中不區分重要的和不重要的貢獻。唯象模型具備一定的預測能力。一般來說，純經驗性的方法是沒有什么意義的。由于引入模糊集合理論和人工神經網絡方法，使經驗性方法的應用情況得到了改善。（5）系列檢驗法一個很重要的問題是模型的有效性。在材料研究中，確實存在著這樣的情況，對同一合金現象的處理，人們引人了許多不同模型，而且模型或方法之間缺乏認真的比較。各個模型或方法與實驗數據的比較已經很好的建立起來，但綜合各模擬方法與實驗結果的橫向比較還很少見到。定量化系列檢驗法的使用仍是對現行模擬工作的一種必要而合理的補充。例如，作為比較多晶塑性模型的系列檢驗法，它應當涵蓋下列一些方面。A模擬方法必須處理同一種標準材料，這種標準材料應具有嚴格定義的冶金學特性，例如化學性質、晶粒大小、晶粒形狀、強度、沉淀粒子大小和分布等；B如果所考察的模型需要輸入拉伸或多軸力學試驗參數，它們必須采用同樣的數據；C所有預測須同一組實驗結果相比較，所用實驗結果須是在嚴格定義的條件下獲得的；D輸入數據中必須包含一組等同的離散取向數據；E從輸出數據中獲得的取向分布函數必須使用同樣的方法進行計算推斷；F對所描述或提交的數據必須采用同一方式；G對比較結果應該給以詳細討論，并且公開發表。4.1.4模型化的基本思路結構模型大致分為納觀、微觀、介觀和宏觀等系統。由于微結構組分在空間和時間上分布范圍很大，晶格缺陷之間各種可能的相互作用是很復雜的，要從物理上量化地預言微結構的演化與微結構性質之間的關系是比較困難的。所以采用各種模型和模擬方法進行研究是非常必要的，尤其是對不能給出嚴格解析解或不易在實驗上進行研究的問題，應用模型和模擬更為重要。而且，就實際應用而言，應用數值近似方法進行預測計算，可以有效地減少在優化材料和設計新工藝方面所必須進行的大量實驗。模型化與模擬方法的典型步驟是，首先，定義一系列自變量和因變量，這些變量的選擇要基于滿足所研究材料性質的計算精度要求；其次是建立數學模型，并進行公式化處理。所建模型一般來說應由兩部分組成，一是狀態方程，用于描述由給定態變量定義的材料性質；二是演化方程，用于描述態變量作為自變量的函數的變化情況。在材料力學中，狀態方程一般給出材料的靜態特性，而演化方程描述了材料的動態特性。同時，在因制備過程或所考慮實驗對材料施加約束條件的情況下，上述一系列方程還常能給出材料的相關運動學特性。無論是從頭計算，還是唯象理論，通過選擇恰當的因變量，建立狀態方程和演化方程都是很有啟發性的。變量的選擇是模型化中最重要的一個步驟，它是近似處理問題時所特有的物理方法。基于這些選擇好的變量和所建立的一系列方程，通常還要把這些方程變成差分方程的形式，并確定出求解問題的初始條件和邊界條件。從而使開始時所給出的模型變成了嚴格的數學表述形式。這樣一來，對所考慮問題的最終求解就可以用模擬方法或數值實驗法進行。由于計算機運行速度和存儲能力的不斷提高，以及在工業和科學研究方面對定量預測要求的不斷增加，大大促進了數值方法在材料科學中的應用。因此，理論分析、實驗測定和模擬計算已成為現代科學研究的三種主要方法。20世紀90年代以來，由于計算機科學和技術的快速發展，模擬計算的地位日漸突顯。在新材料的研究和開發中，采用分子模擬技術，從分子的微觀性質推算及預測產品與材料的介觀、宏觀性質，已成為新興的學術方向。無論是材料的物理模擬，還是材料的計算設計或數值模擬，一般都離不開計算機。計算機模擬起的作用可認為是一種用來檢驗理論而設計的實驗，這種在將理論應用于客觀世界之前而加以篩選的方法稱之為計算機實驗。計算機模擬的這種作用極為重要，它已促使了一些非常重要的理論修正，而且它也改變了人們構筑新理論的方法。4.1.5模型的實際應用（1）物理模擬材料研究的物理模擬物理學研究問題的最基本方法是建立物理模型。物理模型是對具有相同物理本質特征的一類事物的抽象。為了達到對事物本質和規律的認識，必須根據所研究對象及問題的特點，把次要的非本質的因素舍棄、撇開，有意地提取主要的和本質的因素加以考慮和研究。這就是抽象的方法。例如，在研究物體做機械運動的規律時，忽略物體的形狀和大小而把物體抽象成具有一定質量的幾何點來建立質點模型；在熱學中建立理想氣體等模型。這些物理模型是建立物理規律的基礎，如質點或點電荷模型是萬有引力定律、牛頓定律、庫侖定律等基本規律建立的基礎。國內外在材料加工領域開展了許多物理模擬方面的研究工作，例如，物理模擬技術在焊接領域的應用，主要是焊接熱循環曲線、熱影響區組織和性能、焊接冷熱裂紋等；物理模擬技術在壓力加工領域的應用，主要是塑性變形及抗力、再結晶規律、CCT曲線測定等；物理模擬技術在鑄造領域的應用，主要是形成過程的熱與力學行為、金屬的熔化與凝固控制、晶體生長與控制等；物理模擬技術在新材料開發及熱處理領域的應用，主要是碳/碳復合材料力學性能、鋁基復合材料高溫變形行為、金屬間化合物拉伸性能、退火過程、熱/力疲勞等。物理模擬基本概念物理模擬（PhysicalSimulation）是一個內涵非常豐富的廣義概念，也是一種重要的科學方法和工程手段。通常，物理模擬是指縮小或放大比例，或簡化條件，或代用材料，用試驗模型來代替原型的研究。如新型飛機設計的風洞試驗，塑性成形過程中的密云紋法技術，電路設計中的試驗電路，以及宇航員的太空環境模擬試驗艙等。在工程技術中，物理模擬就是利用物理模型模擬實際系統的行為和過程的方法，即通過建立物理模型和試驗了解實際系統的行為特征。物理模擬的突出優點是基本上用實物模擬研究對象的方法，它直觀地給出研究對象的空間構造形式、外部幾何特征、結構尺寸以及其組成部分之間聯系和相互作用的結構特征。另外，系統未建成時不可能對系統進行試驗；即使對于已建成的系統，在實際系統上進行試驗也是不經濟的（如軋鋼系統，由于規模大，進行一次試驗要化很多資金）；有時甚至是不允許的。如電力系統、核反應堆系統，由于這種系統的安全性將會對社會及人身產生很大的影響，一般是不允許直接在實際系統上進行沒有把握的試驗的。因此常常要求對模型先進行試驗，以便獲得研究系統所必須的信息。由于物理模擬不是直接對實際系統本身試驗，而是利用物理特性相似模擬，在實驗范圍內進行小規模模擬試驗，因此在科學研究、工程設計和管理系統的合理運行方式的研究中都有重要應用。有些重大工程設計、規劃及可行性研究都是首先建造出物理模型進行物理模擬，如大型水利水電工程、大型土木建筑工程、交通樞紐工程、航空航天工程等一般都是先通過模型試驗，考查方案設計的科學性和合理性，預測工程的最終效果并獲得重要的技術數據。著名的阿波羅登月工程就是