材料科学基础有实际意义么？ 第1页

这题勾起我很多回忆，心痒痒，还是抽点空答一答吧。不枉费我学了这么多年材料。

材料科学基础这课里，概念极多，但很缺乏触感，大多数学生学完都是一头雾水的。

硅片切割的故事

我一次对这门课的内容突然有了感觉，来自于我手工切割硅片的经验。

制造芯片的硅片并不是想象中的圆形，而是下面的这个样子：

硅片下面被切掉了一段，用以表示硅片的晶向。对于<100>晶向的硅片，平行或垂直于下面这条线段的方向，都是适合切割的方向，因为是硅的解理面。实际划片过程中，只需要用金刚石刀轻轻的划一个小口，在轻轻一压，硅片就会非常容易断裂而且会得到平整的断裂面。可以看下面这个视频，断开那一瞬间的声音真是太美妙了~

用<100>晶向的硅片是很容易且切出方方正正的片子的。可如果是<111>晶向的硅片，解理面不会是这样四四方方，而会是等腰三角形。这背后的原理啊，就是材料科学基础里晶体学的内容~

下面来讲讲位错吧。

对于刚刚学习位错的小宝宝，会觉得这个概念真抽象啊。在材料外延生长的过程中，位错是核心知识！

在外延生长的氮化镓（GaN）材料表面，经常能观察到一种缺陷，如下面右图的小坑：

而造成这种缺陷的罪魁祸首，就是材料科学基础里学到的螺旋位错（screw dislocations）。

位错哪里来的呢？是从材料下面长上来的。看下图的浅色线，就是threading dislocation（TD），当位错移动到表面，就会变成V形小坑。

什么？位错还可以看到被观察到？是啊，用TEM，我们能看到位错。

下图里，黑漆漆的一条一条线，就是TEM拍摄到的位错。

在材料外延过程中，会遇到各种各样的位错问题，而这些问题都切实关系到材料生长的质量。

基本更新完毕，以后会不定期增补。2019-07-16

今日更新第三、四部分，2019-07-14

以位错为代表的线缺陷只是实际材料缺陷的一小部分，而材料缺陷也只是《材料科学基础》课程内容的很小部分，但其在研究和应用中的重要性是巨大的，值得材料学生多花点精力推敲琢磨。至于那十个有关位错的小问题，在每本经典《金属学》教材中都有详细介绍，无需在这里啰嗦。

下面涉及《材料科学基础》的无数应用（实际意义）点到为止，难免挂一漏万。专业知识首先是系统化有机体，不宜追求每个专业术语和规律的应用价值，而是掌握它们的本质属性、影响因素和相互关系。事实上，有助于理解相关概念、有助于把握其他专业课程、有助于掌握材料研究方法、有助于了解材料研究进展，又何尝不是实实在在的应用。

另外，下面的回答以金属材料专业《材料科学基础》课程内容为主，偶尔涉及其他材料基本概念与应用。

个人观点，仅供参考。

一，线缺陷（位错）的实际意义

位错与材料强化：金属材料主要强化机制之一。包括增加位错密度和交联程度的一切措施都可能显著提高金属材料强度，同时不显著减少韧性。近期（2017）香港大学黄明欣博士与北京科技大学罗海文教授通过引入大量可移动位错，成功证明提高位错密度能够同时提高材料强度和延展性，即强度韧性同步提高。

位错与材料成型：金属塑形成型（加工）阻力之一。引起加工硬化、异常变形（开裂、皴折、制耳等）原因之一。在少滑移系多晶材料中表现尤其充分。当然在可以诱导孪生的材料体系，形变强化效果显著（2016年，南理工陈光），基于相关成果的快速变形工艺已进入商业运作阶段。

位错与材料腐蚀：各种局部腐蚀加速剂或催化剂，但对宏观腐蚀影响甚微。所以很多依赖位错机制的增强材料，其使用条件也需要特别优选限制，以确保其增强作用不至于迅速瓦解，否则会有天使沦落人间之类的惨剧发生。这就是为什么材料选择与材料保养特别重要的原因。

位错与材料磨削：位错对金属材料的磨削加工性能影响仅在其增强作用为主时有效，其他情况可忽略不计。不过对于无机非金属材料制品的磨削加工，位错的存在通常会有促进作用，比较典型的例子就是硬宝石界（戒）面加工和单晶硅切割等。

位错与新材料：位错相关的材料使用性能研究始终充满无穷魅力，也是新材料开发研究的主要出发点之一（跟踪前沿研究始终是下乘）。最近几年关于金属材料强韧性同步提高的重大进展几乎都离不开位错主角的惊艳出场，而由此即将诞生大批异乎寻常的新新金属材料。让我们拭目以待吧。

当然材料大学生还要摩拳擦掌才好！一读研究生就只能跟着老板追热点了。

二，其他缺陷的实际意义

点缺陷与材料表面活性：简单说材料表面活性有两方面实际意义：一是增加材料与环境介质相互作用，造成材料质量损失（化学腐蚀、磨损腐蚀等）或性能衰减；二是提高金属表面与异质功能表面层（电镀、气相沉积等）的结合力，从而保障表面层有效服役。

前者可据以开发许许多多让金属材料规避环境介质风险、延长使用寿命的有效方法，所以各种表面钝化技术非常重要而且生机勃勃。后者使通过表面改性、表面涂敷扩展金属材料使用范围的无数设想得以实现，而忽略表面结合状况的结果一定是导致金属材料制品或其表面层快速破坏，

晶界与材料强韧性及其他：细晶强化是金属材料另一种主要强化机制。细晶意味着晶界总量（面缺陷）急剧增加。近年来这方面有众多惊人进展，超乎想象，当然也远远超出《材料科学基础》教材大纲。其中国内金属所卢柯、北科大吕昭平、港城大吕坚等学者的工作居于世界领先水平，相关应用研究的跟进也取得了良好效果。需要指出的是，位错仍然在其中扮演举足轻重的角色。

当然，晶界对钝性合金（例如不锈钢）的腐蚀行为有重大影响，是导致多种常用高合金钢晶界腐蚀破坏的最大元凶，也是金属粉体制备的最有力助手之一。另外，所有金属材料专业学生很早就知道金相组织观察离不开晶界的帮助。材料研究与应用的魅力之一就是材料这种亦庄亦谐、亦正亦邪的性能特点，是最终达到材料设计境界必须全面认知的。

杂质与材料使用性能：合金强化是曾经是金属材料强化的最重要途径，杂质在这个过程中一直是敌友莫辨的存在。有时杂质多到一定程度才会引起不良后果，这样制造过程就不必追求高纯度而显著降低成本。有时则会出现ppm级的杂质即可导致材料性能无法达标，比如芯片半导体材料和超低碳不锈钢等。有关技术（超高纯）都是企业长期研发几十年的产物，靠按时按量按计划出成果的思路是很难掌握的。

最近卢柯等人提出材料素化概念，综合近年来非合金强化方面的进展，通过显著减少合金元素（稀贵金属）仍可保障材料强韧性。不过，其美好前景对于不善高纯材料制造的产业现状来说，总有一种隔岸观花的感觉。希望新一代材料人能有所作为。

宏观缺陷简述：比较经常遇到的宏观缺陷及产生条件如，弯曲（受力、时效、加工等变形）、折叠（冲压、轧制、锻压）、开裂（拉压挤弯扭等以及震动、疲劳和环境敏感断裂）、磨损（磨料、粘着、微动、疲劳、腐蚀、气蚀、冲蚀等）、腐蚀（化学、物理、电化学、生物腐蚀）、胀缩（湿热电磁力以及其他条件引起的材料尺寸变化）等等。其中很多内容需要了解其他相关专业课程常识。

如果能大致按这个线索查阅文献，每个词语展开出三五百字的详细说明，对材料科学的认知一定会有突飞猛进的改观。不要随便相信和使用书本或网络上的大段文字描述，材料专业学习中从来不存在唯一正确的文字陈述，他人的文本语言也很难真正变成自己的准确理解。

三，《材料科学基础》其他内容的实际意义（择要）

金属材料专业本科使用的《材料科学基础》教材，是各材料专业同名教材中最早出现的，经过最近二十多年的发展，体系大致稳定，但远远没有达到完备和完善程度。这里选择一些中外同类教材共同关注的话题，想到哪儿写到哪儿，简单地从书里走到书外、走到其他书中，算是专业知识最容易变现的应用。

晶体与非晶：晶体结构本来是很好玩的东西，很多学校还在使用模型教具，市面也有不少基于晶体结构的拼装玩具。所以这部分内容算是最简单的立体几何辨识与计算，包括以后倒易点阵的想象也可以轻松搞定。如果能和矢量（张量）代数联系起来，还有助于理解比如传递方程、弹塑性力学和衍射分析技术等后续课程。

对具体材料而言，晶体和非晶体的界限是模糊的。很多金属材料可以方便获得足够稳定的非晶态结构，例如快速凝固、液相沉积、辐照、变形和气相沉积等。非晶态金属有两个非常重要的使用性能，一是抗局部腐蚀的能力大好，二是容易获得品种丰富的易焊合金，其常规应用和前沿应用都十分广泛。

凝固与结晶：一般凝固过程并不一定导致结晶，更难以获得单晶和匀晶。凝固过程是决定多数金属材料使用性能的最本质因素，其中涉及加热与冷却（温控）、成分控制、杂质控制和连续成型等，都需要相关专业高精尖技术配合，也是国内材料研究产业化的最大瓶颈（深层次原因参见「烧结与固态转变」小节）。一般材料专业相关实验室研究成果，温度很少是准确的，成分很少是精确的，结果很少是可重复的。

结晶除了通过凝固，还可以通过常压水溶液、高压釜、静压力、时效以及热处理等方法获得。与这些技术相关的科学常识同样需要充分了解，这些技术手段也是材料相关专业实验室研究经常需要用到和想到的。产业应用如湿法冶金、三废处理、城市矿山等领域，最近十几年亦有重大发展。

相图与相变：相变和位错是金属材料基础知识的两条主线，所有相关内容均可与之关联，而相图与晶体结构是二者的几何学基础。换句话，金属材料科学基础就是中学几何（平面几何、立体几何和解析几何）升级版，只不过增加了一些物理（物质、材料）背景，也可以称之为材料几何学。当然，相图的应用基础是热力学，晶体结构的应用基础是结晶学。这些基础的基础，都有必要及时回顾。

需要特别注意的是，相图的绘制和所有应用大都基于平衡态（比如过程足够缓慢）前提。因此千万不要随便判定，某种相结构可以或不可以在什么温度区间存在；千万不能认为，某种成分的金属室温状态一定存在或不存在某种组织。

除了结构相变，可能还需要顺便了解一点磁相变和其他一些电磁效应和光热效应。

形变与热处理：形变与热处理放在一起的最主要理由是他们拥有共同主角——位错，另外有一幕戏单独拿出来叫「回复与再结晶」，而「强度与硬度」是这出戏的两个资深评委。加上「固态转变」，是传统课程《金属学》《热处理》《合金钢》合而为一的基本逻辑。

形变与热处理还有一个共同点是都可以导致材料结构相变。形变的一般后果（均有重要工业应用）包括但不限于晶粒扭转、加工硬化、纤维化组织、织构、重构、压热效应弹热效应和结构相变。热处理浑身上下里里外外都是应用性的，无需多言。

强度与硬度：这二位关系密切却经常独来独往，而且在不同大类材料中的地位相差十分悬殊。强度有十几个亲兄弟，各有各的地盘；硬度是八九个女汉子，各有各的风情。这群兄弟姐妹不全部在本课程亮相，需要联系实验、材料力学（或者理论力学/工程力学）、机械设计等相关课程慢慢认识。

强度和硬度的测试方法很多，一般不能通用和有条件换算。所以不要轻易论断某种材料比某种材料强或者硬，材料越不具体，越没有可比性。比如某钢比某陶瓷抗拉强度高，但抗压强度低很多，冲击强度又高很多，高温强度简直如豆腐，等等。需要强调的是，上述性能的某钢和某陶瓷有很多品种。

表面与界面：使用中的金属材料，绝大部分破坏自表面开始，包括绝大部分腐蚀类型、绝大部分磨损类型、相当大一部分断裂等等。而破坏的发展与界面关系暧昧——界面可能阻止或者加速绝大部分破坏形式，且影响因素错综复杂，绝不是普通大学材料专业实验室可以轻易模拟、仿真、计算研究解决的。

这可能是材料生最早接触复杂性科学的一个契机，同时加深对系统科学的认知。在这个层面看问题，你会发现人类的科技水平在解决工程问题时是多么幼稚，从而收敛一些飘飘然的绮念，踏踏实实把自己的认知体系构筑牢固。

腐蚀与磨损：这是完完全全的应用技术理论，金属材料破坏的三分之二（另外一类是断裂），课程中的大部分内容可能一带而过或者根本不提。因为需要比材料科学基础或其前修课程更专业的理论基础，比如电化学与测试，比如弹塑性力学，比如机械原理等。当然，如果想入门，至少物理化学知识可以再重温一遍。

扩散与传热：扩散是一种主要的质量传递类型，可以发生在物质三态以及两两之间，因此经常跟气体、液体打交道的专业（你起码应该知道十来个）也都非常熟悉扩散。这是你在大学扩展交际圈（所有专业知识的基本应用之一）的最方便利器之一——专业学习有交集啊！

传热就更不用说了，每个人都天天和她打交道，而且是不得不打交道那种。传热跟传质常常遵循着几乎完全一样的规律，而跟传热直接相关的专业，几乎涵盖所有理工农医各专业，甚至经济学传播学心理学都有多方面借鉴。你难道没有发现材料专业的低调奢华吗？

回复与再结晶：这个问题虽然一般安排在塑性变形之后，但其内在机制前面早已介绍，所以这个部分知识应该最大限度地让学生自学，其应用或者意义也一样。如果你能够很快发现本节与形变、热处理、凝固和固态转变等小节的紧密关系，那就更好了。

烧结与固态转变：烧结过程通过硬质合金把金属和无机非金属材料紧密联系起来。从这里分别回头看二专业的《材料科学基础》课程，差异和联系都是如此分明。不少材料大学生都是在这个时候萌生金材/无机非互跨专业考研念头的。

固态转变（和固态相变区别很大）是材料工业化最大灰箱，里面充斥数不清的未知数，远比人们对石墨烯对人工智能的了解少得多。简单说就是目前商业化生产的所有金属材料和无机非金属材料的任何不尽人意的问题，都和材料制造过程的固态转变过程未能有效控制有关。

事实是至今没有十分有效的控制办法，可惜这个问题不会成为国内材料研究热点。

四，《材料科学基础》知识在生活中的应用

前面三个部分侧重课程知识在材料研究与生产中的实际意义（应用），第四部分就说说这门课程与大家的真实生活的关系。只要用心理解与琢磨，你就能很快用自己的专业知识帮爸爸妈妈乡里乡亲解决实际问题了。

衣：涉及高分子材料（纤维、织物、塑料、橡胶、粘结剂等）、金属（金银铜铝钢为主）、无机非金属（陶瓷、玻璃、宝玉石等）、复合材料（木、皮革、组合材料等）以及几乎所有材料表面处理与加工技术。已经开始吸引眼球的智能服装服饰，更是用上了最新材料科研成果。

把衣服穿旧了再换已不再是美德，但是让自己心爱的衣服淘汰前始终如新，却是材料人应该有的追求。这取决于下面这个问题的求解：不知大家能在自己身上找出几种绝对不一样的材料，并且大概知道它们的性能特点、制造方法和保养要领。

影响服饰材料质量的一个重要因素是，人体体表排泄物的性质差别很大。所以同样的材料同样的商品，每个人佩戴时需要不同的保养办法。不要轻易相信任何牌子的万能保护剂和民间秘方。

食：当然所有可以最终下咽的食材，暂时都不是本专业的菜。但所有有助于把食材送入口中的工具及食材收获、储运和加工工具（装备）都离不开安全可靠方便耐用的各种材料。有些材料是人类使用数千年的老相好，有些是隔壁老王还没见过的新鲜货，当然也有不少即将从材料研究一线飞入寻常百姓人家。

和服装服饰一样，只有认识材料才能保护制品。材料保养不是听故事看答案，是自己用专业知识来解决自己的问题，所以首先需要自己发现问题。和服装服饰不同的是，与食关系密切的材料中还有大量天然材料，比如竹木、石材、动植物残骸。这些都是《材料科学基础》课程以外的东西，如果把专业学习的境界停留在考试拿学分层次，大学充其量就是一个没有升学指标、有课外活动要求的高考复读班。

住：住房材料大致三分天下：砖、木、钢。钢筋混凝土算是前后两种材料的复合物，而且多半是公共建筑和构筑物主材，而塑料与纤维织物玻璃钢之类主要用在临时遮风挡雨方面。但是围绕住房使用的各种装修材料那就非常五花八门了。但仔细一算，和服装服饰材料也差不多，大概只有石膏、纸张、木材比较少用于衣而常见于住。

一个非常奇怪的现象是，国内很少有材料大学生打建筑业和房地产业的主意，尽管这两个行业消费了最大量的现产各类结构材料和功能材料。

行：交通运输工具是金属结构材料的数百年主场，但地面运输通道则是无机非金属材料千万年主场，现在高分子材料占据步行工具主场好几十年了。你或许会有由此发现材料历史的脉络，看清材料未来的发展之路。

同样奇怪的是，交通运输行业也没有多少材料人的身影。

玩：玩（包括体育、娱乐）的场所、玩的工具道具装备、玩的现场气氛烘托，无不充斥各种最先进的材料及其加工形态甚至加工原理的应用，是启示多数新型功能材料研发和技术创新的重要生活源泉，因此涉足各种体育、时尚、娱乐场所实在应该是材料大学生的必修课。

总算有一个门槛比较低的行当了吧，材料人难道连玩儿都不如别人？

有些《材料科学基础》教材可能还会提到材料性能（检测）和材料制备与加工基础知识，这些本来就是实际应用，无需在这里饶舌了。

现在金属材料专业本科使用的《材料科学基础》教材，最初大都以传统《金属学》课程体系为主干，增加或穿插一部分《热处理原理》和《合金钢》课程内容拼凑而成，删去了三门课程的许多内部关联细节，不太适合自学，也不太适合一个老师从头到尾讲（同时精通这三门课程的老师几乎没有）。以后教材内容越来越丰富，也越来越支离破碎。其中增添的有关无机非金属材料、高分子材料和复合材料以及材料测试与材料制备等方面的内容，均可忽略不计，建议另找专门教材阅读，最好直接参阅引进版原文教材。至于其他材料专业使用的同名教材，在课程体系和内容取舍方面均存在巨大差异，可不必理会。

最后关于位错，推荐余永宁先生的《金属学原理》

冶金工业出版社，2000版

2019-07-11，倚塔胡涂