材料科學(xué)研究方法概述一．材料的定義、特點(diǎn)與分類(lèi)1.定義物質(zhì)經(jīng)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(tài)和物理狀態(tài)的物質(zhì)。2.分類(lèi)材料按物理化學(xué)屬性可分為：金屬、無(wú)機(jī)非金屬、高分子材料、復(fù)合材料；按來(lái)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(jié)構(gòu)材料；按狀態(tài)可分為：氣態(tài)、固態(tài)和液態(tài)。3.材料的幾大效應(yīng)（1）材料的界面效應(yīng)材料的界面有晶界、相界、亞晶界、孿晶界等。材料的力學(xué)性能、物理性能及化學(xué)、電化學(xué)性能都與材料的各種界面有著非常密切的關(guān)系。材料的形變、斷裂與失效過(guò)程，起源于各種界面的占了大部分，材料加工過(guò)程中的各種變化也基本上都與界面有關(guān)。界面的研究在材料科學(xué)中有著重要的地位。不同材料的界面有以下幾種效應(yīng)。A.分割效應(yīng)。是指一個(gè)連續(xù)體被分割成許多小區(qū)域，其尺寸大小、中斷程度、分散情況等對(duì)基體力學(xué)性能及力學(xué)行為的影響；B.不連續(xù)效應(yīng)。界面上引起的結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)等性質(zhì)的不連續(xù)和界面摩擦出現(xiàn)的現(xiàn)象，如電阻、介電特性、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性等；C.散射和吸收效應(yīng)。界面處對(duì)聲波、光波、熱彈性波、沖擊波等各種波產(chǎn)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(yīng)效應(yīng)。界面產(chǎn)生的感應(yīng)效應(yīng)，特別是應(yīng)變、內(nèi)部應(yīng)力及由此產(chǎn)生的某些現(xiàn)象，如高的彈性、低的熱膨脹性、耐熱性等。界面問(wèn)題涉及界面兩側(cè)原子的對(duì)勢(shì)、電子態(tài)和電子結(jié)構(gòu)、界面原子鍵合的性質(zhì)、結(jié)合能、界面兩側(cè)晶體結(jié)構(gòu)和界面晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系、界面切變模量、界面位錯(cuò)形核與反應(yīng)、環(huán)境對(duì)界面過(guò)程的影響等多方面的問(wèn)題。界面的熱力學(xué)、界面偏析、界面擴(kuò)散、界面化學(xué)反應(yīng)等都是材料科學(xué)中的重要問(wèn)題，特別是納米材料的界面及其新的效應(yīng)、復(fù)合材料的界面更是現(xiàn)代材料科學(xué)研究中的熱點(diǎn)。（2）材料的表面效應(yīng)晶體表面也是材料界面的一種，只是材料的固體表面和周?chē)橘|(zhì)（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(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)而造成晶格畸變，所以材料表面都具有很高的反應(yīng)活性和表面能，而且具有強(qiáng)烈降低其表面能，力求處于更穩(wěn)定能量狀態(tài)的傾向。（3）材料的復(fù)合效應(yīng)復(fù)合材料具有的復(fù)合效應(yīng)主要有線(xiàn)性效應(yīng)和非線(xiàn)性效應(yīng)。線(xiàn)性效應(yīng)有平均效應(yīng)、平行效應(yīng)、相補(bǔ)效應(yīng)、相抵效應(yīng)等；非線(xiàn)性效應(yīng)有相乘效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、共振效應(yīng)、系統(tǒng)效應(yīng)等。一般結(jié)構(gòu)復(fù)合材料具有線(xiàn)性效應(yīng)，但很多功能復(fù)合材料則可利用非線(xiàn)性效應(yīng)創(chuàng)造出來(lái)，最明顯的是相乘效應(yīng)。（4）材料的形狀記憶效應(yīng)具有一定形狀的固體材料，在某一低溫狀態(tài)下經(jīng)過(guò)塑性變形后，通過(guò)加熱到這種材料固有的某一臨界溫度以上時(shí)，材料又恢復(fù)到初始形狀的現(xiàn)象，稱(chēng)為形狀記憶效應(yīng)。具有形狀記憶效應(yīng)的材料稱(chēng)為形狀記憶材料。（5）材料的動(dòng)態(tài)效應(yīng)各類(lèi)材料的失效大都是由量變到質(zhì)變的動(dòng)態(tài)過(guò)程。加強(qiáng)對(duì)失效動(dòng)態(tài)過(guò)程的分析研究，才能更深刻地揭示材料的失效機(jī)理及其控制因素。（6）材料的環(huán)境效應(yīng)由于在材料的加工、制備、使用及廢棄過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的破壞，使全球環(huán)境污染問(wèn)題變得日益嚴(yán)峻。因此，對(duì)材料的生產(chǎn)和使用而言，資源消耗是源頭，環(huán)境污染是末尾。材料的生產(chǎn)、使用與資源及環(huán)境有著密切的關(guān)系。（7）材料的納米效應(yīng)納米材料是超細(xì)微材料，是指由微小顆粒（絕大多數(shù)為晶體，其特征尺度至少在一個(gè)方向上為納米量級(jí)）組成的固體，其典型的晶粒尺度為1nm～100nm。隨著物質(zhì)的超細(xì)微化，納米材料表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了宏觀物體所不具備的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)等四大效應(yīng)。這就是材料的納米效應(yīng)。這些效應(yīng)使得納米材料具有一系列優(yōu)異的力學(xué)、磁性、光學(xué)和化學(xué)等宏觀特性。小尺寸效應(yīng)是當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減小，在一定條件下，會(huì)引起材料宏觀物理、化學(xué)性質(zhì)上的新變化。量子效應(yīng)是指當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致的納米微粒的電磁、光學(xué)、熱學(xué)和超導(dǎo)等微觀特性和宏觀性質(zhì)表現(xiàn)出與宏觀塊體材料不同的特點(diǎn)。表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子與總原子數(shù)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(zhì)的變化。界面效應(yīng)是納米材料的結(jié)構(gòu)有很大比例的原子處于缺陷環(huán)境中。二．材料的研究?jī)?nèi)容1.研究分類(lèi)（1）材料物理與化學(xué)學(xué)科以理論物理、凝聚態(tài)物理和固體化學(xué)等為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用現(xiàn)代物理與化學(xué)研究方法和計(jì)算技術(shù)，研究材料科學(xué)中的物理與化學(xué)問(wèn)題。從電子、原子、分子等層次上著重研究材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變規(guī)律，以及它們與材料的各種物理、化學(xué)性能之間的關(guān)系，并運(yùn)用這些規(guī)律來(lái)改進(jìn)材料性能，研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)材料與器件，發(fā)展材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論，探索從基本理論出發(fā)進(jìn)行材料設(shè)計(jì)，著重現(xiàn)代物理與化學(xué)的新概念和新方法在材料研究中的應(yīng)用。（2）材料學(xué)學(xué)科材料學(xué)研究材料的組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能之間的相互關(guān)系，致力于材料的性能優(yōu)化、工藝優(yōu)化及材料的開(kāi)發(fā)與合理應(yīng)用。材料學(xué)是實(shí)用性比較強(qiáng)的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，其研究既要探討材料的普遍規(guī)律，又要有重要的工程價(jià)值。研究的范圍包括金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料。材料學(xué)及其發(fā)展不僅與揭示材料本質(zhì)和演化規(guī)律的材料物理與化學(xué)學(xué)科相關(guān)，而且和提供材料工程技術(shù)的材料加工過(guò)程學(xué)科有密切的關(guān)系。（3）材料加工工程學(xué)科是研究控制材料的外部形狀和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以及將材料加工成人類(lèi)社會(huì)所需求的各種零部件及成品的應(yīng)用技術(shù)的學(xué)科。其研究范圍包括金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料等，主要研究這些材料的外部形狀和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)形成規(guī)律，材料加工的先進(jìn)技術(shù)和相關(guān)工程問(wèn)題，材料的再循環(huán)技術(shù)，加工工程的自動(dòng)化、智能化及集成化，材料加工工程的質(zhì)量檢測(cè)與控制，材料加工工程模擬仿真，材料加工的模具和關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)與改進(jìn)。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，材料加工工程學(xué)科的內(nèi)涵已經(jīng)超出了原來(lái)的范疇，與材料物理與化學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械、自動(dòng)控制等學(xué)科有著密切的聯(lián)系，是多學(xué)科交叉的新學(xué)科。2.具體內(nèi)容（知識(shí)點(diǎn)只是偏重于某一類(lèi)，并非非屬于，各種狀態(tài)的改變都是通過(guò)之間的關(guān)系改變的）2.1組織結(jié)構(gòu)2.1.1基本特性根據(jù)不同的目的和研究方法，材料中的結(jié)構(gòu)是有不同層次的。從電子、聲子等到原子、離子、分子，從晶體結(jié)構(gòu)到相、組織，從位錯(cuò)等缺陷到微觀裂紋。這些不同層次的知識(shí)對(duì)我們理解材料的各種行為、性能以及物理、化學(xué)的本質(zhì)非常有幫助。宏觀與微觀是相對(duì)的。要正確地對(duì)待材料結(jié)構(gòu)及其層次，應(yīng)該注意五個(gè)共性問(wèn)題：可分與窮盡，轉(zhuǎn)變與守恒，樹(shù)木與森林，表象與真實(shí)和量變與質(zhì)變。（1）可分與窮盡原子的英文是Atom，意思是“不可分”。，應(yīng)該說(shuō)物質(zhì)是可分的，人的認(rèn)識(shí)是不可窮盡的。牛頓力學(xué)解釋了宏觀現(xiàn)象，但應(yīng)用于原子結(jié)構(gòu)，遇到了困難，于是產(chǎn)生了量子力學(xué)。這是認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。另一方面，認(rèn)識(shí)也是有層次的。在比較大的尺度內(nèi)研究物質(zhì)時(shí)，可以忽略太細(xì)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以將這些“組元”作為數(shù)學(xué)上的點(diǎn)。（2）轉(zhuǎn)變與守恒在質(zhì)和能可以互換的條件下，質(zhì)量與能量的總和保持不變；質(zhì)量是能量的一種形式，能量又是質(zhì)量的一種形式。但是，在絕大多數(shù)情況下，質(zhì)量守恒和能量守恒仍然是科學(xué)與工程所依賴(lài)的兩個(gè)基本的規(guī)律。系統(tǒng)的質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以發(fā)生變化，也可能不發(fā)生變化。但是，物質(zhì)的能量發(fā)生變化時(shí)，其內(nèi)能必然要發(fā)生變化，而內(nèi)能又是狀態(tài)性質(zhì)，它的變化必然導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)參量的變化。這對(duì)于材料來(lái)說(shuō)是尤其重要的，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)決定了性能。（3）樹(shù)木與森林樹(shù)木和樹(shù)林猶如部分與整體。從層次來(lái)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(xù)介質(zhì)→缺口及裂紋→相及分子→原子→電子。選擇結(jié)構(gòu)的層次，應(yīng)該根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要求，不要盲目地追求微觀化。一般來(lái)說(shuō)，接近于工程應(yīng)用尺寸的結(jié)構(gòu)層次的分析和研究，實(shí)用性比較大；較深層次的結(jié)構(gòu)分析和研究，則可用于理解和控制現(xiàn)象。因此，應(yīng)該根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)去選擇研究的結(jié)構(gòu)層次。研究森林時(shí)，就以整個(gè)森林為對(duì)象，用有代表性的、典型的樹(shù)木為樣品來(lái)研究森林；研究樹(shù)木時(shí)，樹(shù)木就是整體，從樹(shù)木各部分的研究去理解樹(shù)木。不能以個(gè)別樹(shù)皮的圖像來(lái)說(shuō)明森林特征。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)方法的分辨力提高時(shí)，則所觀察的試樣面積的代表性是重要的問(wèn)題。因?yàn)樵谝欢娣e的視場(chǎng)內(nèi)，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(shí)驗(yàn)方法才能研究相應(yīng)的細(xì)節(jié)，而分辨力低的實(shí)驗(yàn)方法便于研究材料的整體。這也就是樹(shù)木與森林的問(wèn)題。（4）表象與真實(shí)從表面觀察到的各種圖像，如何獲得材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況，這是關(guān)于結(jié)構(gòu)的另一個(gè)共性的問(wèn)題。首先，結(jié)構(gòu)的測(cè)定都是采用黑箱法，所以必須理解測(cè)量的原理；其次，要考慮上面所討論的樹(shù)木與森林的問(wèn)題，即所觀察到的圖像是否典型及有無(wú)代表性的問(wèn)題；第三，實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常有干擾與假象的問(wèn)題，儀器、試樣和觀察者的故障與缺陷，都會(huì)導(dǎo)致假象。必須強(qiáng)調(diào)的是，材料科學(xué)主要以實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究為基礎(chǔ)，所以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所有不正確的方法和操作都會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)有偏差，甚至是假象。這是必須注意的。（5）量變與質(zhì)變（納米結(jié)構(gòu)的特性）在自然科學(xué)各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中，某一現(xiàn)象、某一事物從量變到質(zhì)變是一個(gè)普遍的規(guī)律，在現(xiàn)代納米材料中更為突出。。當(dāng)固體微顆粒的尺寸逐步減小時(shí)，量的變化在一定條件下會(huì)引起理化性質(zhì)的質(zhì)變。例如，磁性超微粒子在尺寸小到一定范圍時(shí)，就會(huì)失去鐵磁性，而表現(xiàn)出順磁性，也稱(chēng)為超磁性。在許多方面如光、電、熱及化學(xué)等性質(zhì)上表現(xiàn)出與大塊位置有明顯的差別，有時(shí)甚至是反常的。2.1.2材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般情況下，材料中單相平衡結(jié)構(gòu)都處于能量的谷值。材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和亞穩(wěn)定狀態(tài)都能穩(wěn)定存在，它們都處于能量的低谷。不過(guò)，亞穩(wěn)定高于穩(wěn)定，從亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)到穩(wěn)定態(tài)不是自發(fā)的，需要借助于某種激活過(guò)程克服，激活能由能量起伏提供的。由于動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)學(xué)的原因，亞穩(wěn)態(tài)是廣泛存在的。組織或結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指在一定條件下的相對(duì)穩(wěn)定性程度。不穩(wěn)定的因素是隨環(huán)境條件而變化的。2.1.3材料結(jié)構(gòu)的測(cè)定與表征材料結(jié)構(gòu)的測(cè)定和表征實(shí)際上有兩個(gè)工作系統(tǒng)，一個(gè)是材料，一個(gè)是人。對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，輸入是可見(jiàn)光及環(huán)境干擾，輸出是反射波構(gòu)成的圖像；對(duì)于人來(lái)說(shuō)，輸入就是材料測(cè)試時(shí)所輸出的圖像信息，人們要利用所存儲(chǔ)的知識(shí)來(lái)進(jìn)行判斷、表征，然后作出結(jié)論，即輸出。這是材料結(jié)構(gòu)測(cè)定方法的共性。這兩個(gè)工作系統(tǒng)的所有方法都有分辨力和環(huán)境干擾的問(wèn)題?；瘜W(xué)組元含量的定性測(cè)定，最廣泛應(yīng)用的是化學(xué)分析。現(xiàn)在快速的物理方法，如光譜法、X射線(xiàn)法等，逐步在取代傳統(tǒng)的化學(xué)分析法。如需要了解各相或局部區(qū)域的化學(xué)成分，進(jìn)行定位分析，有直接和間接的兩種方法。間接法是采用化學(xué)的或電化學(xué)方法分離要分析的相，再進(jìn)行一般的或微量的化學(xué)分析，并且可用X射線(xiàn)法確定相的結(jié)構(gòu)；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(jié)構(gòu)的排列方式有各種層次。不同的層次有不同的測(cè)定方法，適用于不同的場(chǎng)合和滿(mǎn)足不同的要求。使用低倍光學(xué)顯微鏡可觀察斷口或剖面，是判斷金屬內(nèi)部組織的一種簡(jiǎn)易的方法。從斷口可了解結(jié)晶組織晶粒大小及形狀、斷裂類(lèi)型等；從剖面可看到內(nèi)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(xué)顯微鏡可觀察到晶粒及各相的大小和形狀，這是常用的測(cè)定方法。更微觀的層次則需要用X射線(xiàn)和電子顯微鏡了。對(duì)于通常意義上的微觀組織結(jié)構(gòu)的表征，有關(guān)參量很多，如第二相的形狀、大小、數(shù)量和分布等；晶粒的大小、形狀；夾雜物的類(lèi)別、形狀、數(shù)量等。對(duì)于原子和電子的運(yùn)動(dòng)，為了表征這種運(yùn)動(dòng)特征，有許多的結(jié)構(gòu)參量。例如，德拜溫度是表征原子振動(dòng)的一個(gè)重要參量，通過(guò)它可以計(jì)算原子的最高振動(dòng)頻率。表征電子平動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)參量有禁區(qū)寬度及費(fèi)米面形狀。任何與電子運(yùn)動(dòng)有關(guān)的性能，都可以通過(guò)測(cè)定某些參量來(lái)推算材料內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)和電子結(jié)構(gòu)。2.1.4材料結(jié)構(gòu)的自組織與防生（1）材料的耗散結(jié)構(gòu)所謂的耗散結(jié)構(gòu)是指從環(huán)境輸入能量或（和）物質(zhì)，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦偷挠行驙顟B(tài)，即這種形態(tài)依靠不斷地耗散能量或（和）物質(zhì)來(lái)維持。非生命系統(tǒng)，這里主要指無(wú)生命的材料，熱力學(xué)第二定律的觀點(diǎn)認(rèn)為它們是一個(gè)孤立系統(tǒng)，即它們與環(huán)境沒(méi)有能量和物質(zhì)的交換，通?？梢杂孟铝泻瘮?shù)關(guān)系來(lái)表達(dá)：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(jié)構(gòu)；M為材料的組織形貌。因此，它們的系統(tǒng)內(nèi)部就不可能呈現(xiàn)生命的活性。如果通過(guò)眾多的通道，例如，化學(xué)的、物理的以及生物的手段為材料提供物質(zhì)和能量的輸運(yùn)，就可以用下列函數(shù)關(guān)系來(lái)表達(dá)材料的仿生設(shè)計(jì)：P=φ（C，S，M，θ），θ為環(huán)境變量，它意味著環(huán)境向材料提供能量和物質(zhì)就可使“死”的材料變成“活”的材料。根據(jù)這種啟發(fā)，現(xiàn)在提出了金屬材料疲勞及性能恢復(fù)的仿生設(shè)計(jì)，模仿生物的機(jī)能恢復(fù)和創(chuàng)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(guò)程一般都不是一個(gè)孤立系統(tǒng)，應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)的概念，可以解釋許多材料科學(xué)中已知的現(xiàn)象，并且能給人以新思路的啟示。不銹鋼只在氧化性介質(zhì)中，由于環(huán)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(xiàn)象自組織理論是系統(tǒng)科學(xué)的核心理論。自組織理論是指一個(gè)系統(tǒng)的要素按照彼此的相干性、協(xié)同性或某種默契而形成特定結(jié)構(gòu)與功能的過(guò)程。自組織過(guò)程不是按系統(tǒng)內(nèi)部或外部指令完成的，而是系統(tǒng)各要素協(xié)同運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。自組織理論所描述揭示的耗散結(jié)構(gòu)、協(xié)同、循環(huán)、突變等過(guò)程，從不同側(cè)面科學(xué)而深刻地揭示了系統(tǒng)從無(wú)序走向有序的條件和機(jī)理，以及在遠(yuǎn)離平衡條件下系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的過(guò)程。自然界中系統(tǒng)的演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成或有序化都是自組織的。自組織必須具備一定的環(huán)境和條件：開(kāi)放系統(tǒng)；遠(yuǎn)離平衡態(tài)；有隨機(jī)性漲落；非線(xiàn)性相互作用。材料的處理、加工過(guò)程可以說(shuō)是自組織的。它是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，與外界發(fā)生能量或物質(zhì)交換；將鋼鐵材料進(jìn)行加熱或冷卻，其過(guò)程一般都是偏離平衡態(tài)，具有一定的過(guò)熱度或過(guò)冷度，相變過(guò)程才能自發(fā)地進(jìn)行；漲落或起伏是對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的偏離，材料變化過(guò)程中總是有濃度起伏、結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏、成分起伏等；非線(xiàn)性的作用可以把微小的“漲落”迅速放大而形成新的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)漲落、濃度漲落等的迅速放大就形成了新相晶核，從而發(fā)生相變。如奧氏體形成、珠光體分解、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體相變等都是系統(tǒng)自由焓非線(xiàn)性變化的結(jié)果，都是一個(gè)漲落、形核、新相長(zhǎng)大的自組織過(guò)程。根據(jù)不同的外部條件和內(nèi)在因素，系統(tǒng)自己“能動(dòng)”地組織而形成各種各樣組織結(jié)構(gòu)形態(tài)。如珠光體組織有片狀、細(xì)片狀、粒狀、針狀等多種子形態(tài)；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(tǒng)自組織的杰作。近10多年來(lái)，有關(guān)自組織理論的研究對(duì)材料科學(xué)產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響。材料科學(xué)中的反應(yīng)-擴(kuò)散相變過(guò)程，材料疲勞過(guò)程產(chǎn)生的駐留滑移帶的位錯(cuò)反應(yīng)-擴(kuò)散模型，受中子、質(zhì)子等高能粒子輻照材料中結(jié)構(gòu)的變化等都屬于材料自組織現(xiàn)象。材料的自組織現(xiàn)象也稱(chēng)為自適應(yīng)性。生物品種的存在取決于它們的動(dòng)態(tài)能力，這些能力是自己養(yǎng)育（新陳代謝）、自診斷、自修復(fù)、自調(diào)整、自繁殖等，這些能力的產(chǎn)生是為了適應(yīng)環(huán)境的變化，所以通稱(chēng)為自適應(yīng)。在材料中也有類(lèi)似的現(xiàn)象。這種功能在材料科學(xué)中被歸納為所謂的“S特性”，即自診斷（self-diagnosis）、自調(diào)整（self-tuning）、自適應(yīng)（self-adaptive）、自恢復(fù)（self-recovery）和自修復(fù)（self-repairing）等。（3）材料結(jié)構(gòu)的仿生生物材料最顯著的特點(diǎn)是具有自我調(diào)節(jié)功能，就是說(shuō)作為有生命的器官，生物材料能夠一定程度地調(diào)節(jié)自身的物理和力學(xué)性質(zhì)，以適應(yīng)周?chē)h(huán)境。有些生物材料還具有自適應(yīng)和自愈合能力。所以，如何從材料科學(xué)的觀點(diǎn)研究生物材料的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，并且用以設(shè)計(jì)和制造先進(jìn)復(fù)合材料，是當(dāng)前國(guó)際上材料科學(xué)研究的一大熱點(diǎn)。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(huì)有多少性能。對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，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(tǒng)計(jì)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(shù)性能沒(méi)有單位，是無(wú)量綱參量。通過(guò)性能的量綱分析，可以加深對(duì)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(lèi)也非常多，如表所列。（1）現(xiàn)象與本質(zhì)從表可以看出，材料的性能涉及到各種物理、力學(xué)、化學(xué)、工藝及工程等現(xiàn)象。從現(xiàn)象的本質(zhì)來(lái)看，同一材料的不同性能只是相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在不同的外界條件下所表現(xiàn)出來(lái)的不同行為。因此，一方面應(yīng)該去總結(jié)有關(guān)的個(gè)別性能的特殊規(guī)律，另一方面也應(yīng)該從材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)因和外因的辯證關(guān)系，去理解材料為什么會(huì)有這些性能。例如，既要研究材料的各種強(qiáng)度、塑性、韌性的特殊規(guī)律，又要應(yīng)用晶體缺陷理論去研究從變形到斷裂的普遍規(guī)律；既要建立與性能有關(guān)的各種表觀現(xiàn)象規(guī)律，又要探索這些現(xiàn)象的機(jī)理。又例如，涉及到材料內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的電、光、磁、熱等現(xiàn)象的物理性能，可以在材料電子論的指導(dǎo)下得到物理本質(zhì)的統(tǒng)一。因此，現(xiàn)代材料科學(xué)工作者必須運(yùn)用固體物理和固體化學(xué)的知識(shí)，才能從本質(zhì)上理解固體材料的各種性能所涉及的現(xiàn)象。（2）區(qū)分與聯(lián)系表將材料的性能分為許多種、類(lèi)和小類(lèi)只是為了學(xué)習(xí)和討論的方便，其實(shí)，材料的各種性能之間既有區(qū)別，又有聯(lián)系。因?yàn)閷?duì)同一種材料而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(fù)雜性能都是不同的簡(jiǎn)單性能的組合，當(dāng)然會(huì)聯(lián)系到其他性（3）復(fù)合與轉(zhuǎn)換將異質(zhì)、異性或異形的材料復(fù)合所形成的復(fù)合材料，可以具有組元材料所不具備的性能，這就是“復(fù)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(jù)具體情況，區(qū)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(chǎn)材料和制造器件；其次是要滿(mǎn)足材料或器件在使用時(shí)的力學(xué)、物理或化學(xué)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(zhuǎn)變的。（5）常規(guī)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(gè)由各種限域效應(yīng)引起的各種特性開(kāi)始有相當(dāng)大的改變的尺寸范圍。當(dāng)材料或那些特性產(chǎn)生的機(jī)制被限制在小于某些臨界長(zhǎng)度尺寸的空間之內(nèi)時(shí)，特性就會(huì)改變。2.3成分、組織結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響2.3.1結(jié)構(gòu)與性能的系統(tǒng)分析材料是一種系統(tǒng)，材料的性能就是系統(tǒng)的功能，也就是系統(tǒng)的輸出。而影響材料性能的外界條件，便是系統(tǒng)的輸入。因此，可以應(yīng)用系統(tǒng)功能的分析方法和觀點(diǎn)來(lái)進(jìn)行研究。主要方法有黑箱法、相關(guān)法、過(guò)程法和環(huán)境法。（1）黑箱法材料科學(xué)中，有許多問(wèn)題人們還不了解其過(guò)程或相互關(guān)系的機(jī)理。當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)或過(guò)程不能或不便了解時(shí)，為了研究只能從外部來(lái)認(rèn)識(shí)過(guò)程，可采用黑箱法。黑箱法又稱(chēng)為系統(tǒng)辨識(shí)。由于不知道其內(nèi)部的變化或結(jié)構(gòu)，認(rèn)為它是一個(gè)“黑箱”，從輸入和輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)理解性能或結(jié)果。如輸入為X，輸出為Y，從實(shí)驗(yàn)可確定：Y=Kf（X）。黑箱法的特點(diǎn)是：A一定的適用范圍。應(yīng)用黑箱法所確定的關(guān)系式，要注意它們的適用范圍。例如，表示應(yīng)力-應(yīng)變的虎克定律只適用于彈性變形的范圍；當(dāng)電壓很高時(shí)，反映電壓-電流關(guān)系的歐姆定律也需要修正。B物理意義不明確。一般來(lái)說(shuō)，所得到的關(guān)系式無(wú)明確的物理意義。黑箱法只能表象地“解釋”問(wèn)題，在一定范圍內(nèi)它能提供輸入與輸出之間的定量關(guān)系。C難于分析影響因素。它不能提出傳遞系數(shù)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(guān)系式。（2）相關(guān)法眾所周知，材料的組織結(jié)構(gòu)與性能之間有著有機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于所研究的性能σ，在已有理論的指導(dǎo)或大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的啟示下，尋求與σ有關(guān)的結(jié)構(gòu)參量Si，然后建立σ與Si之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：σ=f（Si）i=1，2，…，n通過(guò)該關(guān)系式可以從Si計(jì)算σ，并且可通過(guò)工藝來(lái)改變Si，從而控制σ。相關(guān)法的特點(diǎn)是：A它是在已有的理論指導(dǎo)下或已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的啟示下進(jìn)行相關(guān)處理的；B應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法得到相關(guān)系數(shù)，應(yīng)提出相關(guān)關(guān)系的可信度；C相關(guān)關(guān)系式可為性能控制方法提供選擇的基礎(chǔ)，也為理論分析提供依據(jù)；D相關(guān)關(guān)系式有一定的物理意義。（3）過(guò)程法相關(guān)法解決材料性能的現(xiàn)象問(wèn)題，過(guò)程法則是深入到現(xiàn)象的本質(zhì)問(wèn)題。過(guò)程法又稱(chēng)為分析法，是由理論推導(dǎo)出物理或數(shù)學(xué)模型，由機(jī)理本質(zhì)去研究過(guò)程是如何進(jìn)行的方法。相關(guān)法和過(guò)程法是相輔相成的，這符合人對(duì)自然客觀規(guī)律的認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)。過(guò)程法既需要依賴(lài)、又需要說(shuō)明大量的相關(guān)法研究的結(jié)果；而過(guò)程法的研究結(jié)果，不僅可加深對(duì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的理解，區(qū)分相關(guān)的真假與性質(zhì)，也可為解決材料性能的問(wèn)題，提供新的、有效的措施和途徑。（4）環(huán)境法各種環(huán)境（化學(xué)的、熱學(xué)的、力學(xué)的等）因素對(duì)于材料性能的影響有兩種類(lèi)型：（1）弱化———材料在環(huán)境條件的使用過(guò)程中，強(qiáng)度等材料的性能不斷地下降，使原來(lái)的安全設(shè)計(jì)成了不安全，可以發(fā)生材料的失效；（2）強(qiáng)化———材料從環(huán)境中消耗物質(zhì)或能量，形成耗散結(jié)構(gòu)，從而使強(qiáng)度等性能提高，增加了安全度，即強(qiáng)度等材料性能隨著時(shí)間而越來(lái)越高于原來(lái)的狀態(tài)。2.4合成制備及成分、性能對(duì)合成制備的影響2.5使用效能及成分、性能、組織結(jié)構(gòu)對(duì)使用效能的影響2.6成分對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響2.7理論、材料設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)（軟件）材料設(shè)計(jì)是依據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)、歸納的實(shí)驗(yàn)規(guī)律和總結(jié)的科學(xué)原理制備預(yù)先確定目標(biāo)性能材料的科學(xué)。2.7.1今后材料設(shè)計(jì)的特點(diǎn)（1）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科學(xué)設(shè)計(jì)并存與兼容。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看，各結(jié)構(gòu)層次的理論將構(gòu)成具有指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)功能的知識(shí)系統(tǒng)。然而，不管這一知識(shí)系統(tǒng)發(fā)展到何等程度，總存在大量尚未被理性化的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)規(guī)律，它們將會(huì)在材料設(shè)計(jì)中得到充分應(yīng)用。完全不依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)和不進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)的材料設(shè)計(jì)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)是不可能實(shí)現(xiàn)的。人們不可超越材料科學(xué)的水平，對(duì)材料設(shè)計(jì)提出不切實(shí)際的要求，而應(yīng)該一步一步地攀登。（2）材料設(shè)計(jì)將逐漸綜合化。隨著材料系統(tǒng)科學(xué)的逐步形成和發(fā)展，單一的結(jié)構(gòu)層次的材料設(shè)計(jì)必將逐步被多結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)所代替。單純的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必然轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)和性質(zhì)相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)。（3）材料設(shè)計(jì)將逐步計(jì)算機(jī)化。計(jì)算機(jī)科學(xué)和材料科學(xué)將是材料設(shè)計(jì)的兩大支柱。人們可根據(jù)材料科學(xué)的知識(shí)系統(tǒng)將大量豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)，形成數(shù)據(jù)庫(kù)，如合金系相圖、合金系的熱力學(xué)性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和力學(xué)物理性質(zhì)等。隨著材料科學(xué)準(zhǔn)確性的提高，又將出現(xiàn)基礎(chǔ)合金系的相結(jié)構(gòu)參數(shù)圖、相的主要性能圖等。具有實(shí)用性的各種專(zhuān)門(mén)材料設(shè)計(jì)系統(tǒng)將會(huì)相繼出現(xiàn)。2.7.2材料設(shè)計(jì)層次（1）微觀設(shè)計(jì)層次?？臻g尺度約1nm數(shù)量級(jí)，是電子、原子、分子層次的設(shè)計(jì)。（2）介觀設(shè)計(jì)層次。典型尺度約1μm數(shù)量級(jí)，材料被看作是連續(xù)介質(zhì)，是組織結(jié)構(gòu)層次的設(shè)計(jì)。（3）宏觀設(shè)計(jì)層次。尺度對(duì)應(yīng)于宏觀材料，涉及大塊材料的成分、組織、性能和應(yīng)用的設(shè)計(jì)研究，是工程應(yīng)用層次的設(shè)計(jì)。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(lián)合的，不同層次的目的、任務(wù)及應(yīng)用也不盡相同。各層次的研究關(guān)鍵是根據(jù)基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)能否發(fā)展出符合實(shí)際的解析與數(shù)理模型，解決不同層次間計(jì)算方法的選擇與整合。材料設(shè)計(jì)在宏觀上是一個(gè)系統(tǒng)工程，建立成分、工藝、組織、性能及可靠性之間的數(shù)理模型是整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化和控制的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)智能化設(shè)計(jì)材料的前提。材料科學(xué)將發(fā)展為材料系統(tǒng)科學(xué)，材料設(shè)計(jì)也必將是系統(tǒng)設(shè)計(jì)。不同結(jié)構(gòu)層次與不同性質(zhì)間的理論需要溝通，逐步形成有機(jī)聯(lián)系的知識(shí)體系。單一層次的設(shè)計(jì)必將被多層次設(shè)計(jì)所代替。多層次設(shè)計(jì)必須要建立多尺度材料模型（MultiscaleMaterialsModeling，簡(jiǎn)稱(chēng)MMM）和各層次間相互關(guān)聯(lián)的數(shù)理模型。2.7.3材料設(shè)計(jì)的主要途徑與方法（1）從相圖角度進(jìn)行設(shè)計(jì)在金屬材料領(lǐng)域，這是大家比較熟悉的途徑。例如，根據(jù)Sn-Pb二元狀態(tài)圖來(lái)設(shè)計(jì)錫鉛焊料；根據(jù)Cu-Sn、Cu-Zn相圖設(shè)計(jì)青銅及黃銅；根據(jù)Al-Si-Mg相圖來(lái)設(shè)計(jì)鑄造鋁合金。在熱力學(xué)計(jì)算相圖方面，如高溫合金中評(píng)價(jià)σ相的生成條件也有比較好的進(jìn)展。材料的研究與開(kāi)發(fā)離不開(kāi)相圖。無(wú)論是實(shí)測(cè)相圖還是計(jì)算相圖都是材料研究的基礎(chǔ)。而計(jì)算相圖又是人工智能材料設(shè)計(jì)的重要組成部分。很顯然，合金設(shè)計(jì)的過(guò)程首先是確定多相相平衡成分的過(guò)程。世界上進(jìn)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(gè)世紀(jì)的歷史。由于合金相圖的特殊重要性，研究工作發(fā)展很快，并且由實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)發(fā)展到利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算相圖。但實(shí)測(cè)相圖仍然是獲得有實(shí)用價(jià)值相圖和獲得有關(guān)數(shù)據(jù)的基本方法。目前，許多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種這樣的系統(tǒng)軟件，如美國(guó)的NBS/ASM、Manlabs數(shù)據(jù)庫(kù)，加拿大的FACT數(shù)據(jù)庫(kù)，歐洲的SGTE數(shù)據(jù)庫(kù)和瑞典的THERMO-CALC相平衡計(jì)算與數(shù)據(jù)庫(kù)等程序系統(tǒng)。相圖工作盡管取得了很大的成績(jī)，但直到現(xiàn)在為止，其相圖的數(shù)量仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，特別是三元系以上的相圖更少。所以，根據(jù)相圖來(lái)進(jìn)行合金的設(shè)計(jì)有比較大的限制，困難也比較多。（2）從數(shù)量冶金學(xué)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)從材料工程應(yīng)用的角度，這是比較切實(shí)可行的。所謂數(shù)量冶金學(xué)，是建立在材料科學(xué)與工程基本模型的基礎(chǔ)上，以材料科學(xué)與工程的知識(shí)、技術(shù)為主體，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、現(xiàn)代科學(xué)方法論等學(xué)科所組成的一個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域。其基本任務(wù)是進(jìn)行金屬與合金設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程及其質(zhì)量控制等方面的工作。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是進(jìn)行金屬材料科學(xué)與工程中各個(gè)環(huán)節(jié)的定量化工作。從金屬材料的現(xiàn)狀來(lái)看，金屬材料已有上萬(wàn)種牌號(hào)。這是多少年來(lái)材料工作者工程經(jīng)驗(yàn)和研究探索的結(jié)果。由于受到科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步的限制，過(guò)去進(jìn)行金屬與合金材料的研究以及開(kāi)發(fā)的新材料，通常都是用“試錯(cuò)法”、“加減冶金法”等。這些方法是利用人們積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行研究的，其缺點(diǎn)是費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，成本高，而且準(zhǔn)確性差。盡管如此，這些工作深化了人們對(duì)金屬材料的認(rèn)識(shí)，為合金設(shè)計(jì)提供了大量的資料，這是現(xiàn)在進(jìn)一步開(kāi)展研究的寶貴財(cái)富。目前的合金設(shè)計(jì)常常是利用回歸分析、主成分分析等數(shù)學(xué)方法以多項(xiàng)式的形式來(lái)表示。有兩種方式：一種是通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)處理，借助于理論分析進(jìn)行外推，由外推的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再將數(shù)據(jù)處理成數(shù)學(xué)模型；另一種是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或理論分析，按照正交設(shè)計(jì)、回歸正交試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)等試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，把試驗(yàn)結(jié)果處理成數(shù)學(xué)模型，由此找出最優(yōu)范圍構(gòu)成新材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。以上方法已經(jīng)把材料的成分—工藝—組織—性能—可靠性等要素聯(lián)系起來(lái)。這樣，在進(jìn)行材料成分設(shè)計(jì)的同時(shí)，還必須優(yōu)化加工工藝過(guò)程，以達(dá)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(huán)境因素），則內(nèi)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(shè)計(jì)這是在材料物理科學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的。又稱(chēng)為第一性原理計(jì)算，或“從頭算起”（abinitio）?；痉椒ㄓ泄腆w量子理論和量子化學(xué)理論。特別適用于原子級(jí)、納米級(jí)工程的材料，超小型器件用材料，電子器件材料等方面的計(jì)算設(shè)計(jì)。由于多粒子量子力學(xué)的計(jì)算，需要引入許多邊界條件，所以難以得到滿(mǎn)意的結(jié)果。計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可處理數(shù)十個(gè)粒子的系統(tǒng)，但這和實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離。盡管如此，從材料科學(xué)的角度進(jìn)行材料設(shè)計(jì)的研究，可以從中引出許多材料設(shè)計(jì)的課題。例如，二元合金的配合。從物理化學(xué)角度解釋合金的配合，并用電負(fù)性和電子空位濃度來(lái)說(shuō)明金屬間化合物的存在范圍。（4）基于物理、數(shù)值模擬的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)是材料設(shè)計(jì)科學(xué)中的一個(gè)分支。在20世紀(jì)80年代就進(jìn)行了材料淬火過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬并建立了Metadex數(shù)據(jù)庫(kù)。在材料加工的各個(gè)過(guò)程都取得了比較大的成功。在國(guó)外，高強(qiáng)度微合金化鋼薄板的生產(chǎn)是全程計(jì)算機(jī)模擬控制。目前在材料計(jì)算設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，主要進(jìn)行了新材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一些現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬。對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的計(jì)算機(jī)模擬一般由兩部分組成：A材料本身的模型化，它的結(jié)構(gòu)要受到兩個(gè)因素的制約，即結(jié)構(gòu)要盡量接近實(shí)驗(yàn)觀察到的形態(tài)和受到計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間的限制。B對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察到的物理性質(zhì)及有代表性的特征進(jìn)行模擬計(jì)算。分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬是研究復(fù)雜的凝聚態(tài)系統(tǒng)的有力工具。由于納米材料的晶體尺寸在納米量級(jí)，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬納米材料的性質(zhì)是很有希望的。（5）多尺度材料模型與計(jì)算設(shè)計(jì)多尺度材料模型（MultiscaleMaterialsModeling）一般是由三個(gè)不同尺度的模型組成，即連續(xù)介質(zhì)和介觀層次、微觀層次及原子層次材料模型。材料的性質(zhì)，特別是力學(xué)性能，通常與多種尺度的過(guò)程相關(guān)聯(lián)。各個(gè)尺度間強(qiáng)烈的相互關(guān)系形成了材料所表現(xiàn)的各種宏觀行為，所以這些行為的物理本質(zhì)就具有多尺度性。而且也只有從微觀到宏觀的系統(tǒng)研究，才可能真正地揭示材料過(guò)程的本質(zhì)，從而達(dá)到控制與設(shè)計(jì)材料的目的。大約三四十年前人們就認(rèn)識(shí)到必須從多層次上采用系統(tǒng)科學(xué)的方法來(lái)研究材料的性質(zhì)和行為。但多尺度材料模型的定義、目標(biāo)及可行性是近幾年才正式提出，并開(kāi)展研究。盡管時(shí)間短，但已經(jīng)成為一個(gè)新的跨學(xué)科的研究領(lǐng)域。MMM實(shí)驗(yàn)室也在世界各個(gè)大學(xué)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(xù)性，在傳統(tǒng)的單一尺度模型研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)低尺度的物理細(xì)節(jié)，例如原子和電子層次，與連續(xù)介質(zhì)模型的關(guān)聯(lián)。多尺度材料模型的研究是跨學(xué)科的。2.7.4材料（計(jì)算）設(shè)計(jì)的主要技術(shù)（1）材料數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一門(mén)新興技術(shù)。材料數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)是以存取材料知識(shí)和數(shù)據(jù)為主要內(nèi)容的數(shù)值數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)一般應(yīng)包括材料的性能及一些重要參量的數(shù)據(jù)，材料成分、處理、試驗(yàn)條件以及材料的應(yīng)用與評(píng)價(jià)等內(nèi)容。知識(shí)庫(kù)主要是材料成分、組織、工藝和性能間的關(guān)系以及材料科學(xué)與工程的有關(guān)理論成果。它是實(shí)現(xiàn)人工智能的基本條件。實(shí)際上知識(shí)庫(kù)就是材料計(jì)算設(shè)計(jì)中的一系列數(shù)理模型，用于定量計(jì)算或半定量描述的關(guān)系式。數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的是具體的數(shù)據(jù)值，它只能進(jìn)行查詢(xún)，不能推理，就像倉(cāng)庫(kù)一樣。而知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)的是規(guī)則、規(guī)律，通過(guò)數(shù)理模型的推理、運(yùn)算，以一定的可信度給出所需的性能等數(shù)據(jù)；也可利用知識(shí)庫(kù)進(jìn)行成分和工藝控制參量的計(jì)算設(shè)計(jì)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)材料性能的預(yù)測(cè)功能和設(shè)計(jì)功能，達(dá)到設(shè)計(jì)的雙向性。（2）材料設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)材料設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)是指具有相當(dāng)數(shù)量的與材料有關(guān)的各種背景知識(shí)，并能運(yùn)用這些知識(shí)解決材料設(shè)計(jì)中有關(guān)問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。傳統(tǒng)的專(zhuān)家系統(tǒng)主要有優(yōu)化模塊、集成化模塊、知識(shí)獲取模塊。最理想的專(zhuān)家系統(tǒng)是從基本理論出發(fā)，通過(guò)計(jì)算和邏輯推理預(yù)測(cè)未知材料的性能和制備方法。但由于影響材料的組織結(jié)構(gòu)和性能的因素極其復(fù)雜，這種完全演繹式的專(zhuān)家系統(tǒng)還難以實(shí)現(xiàn)。目前的專(zhuān)家系統(tǒng)是以經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和理論知識(shí)相結(jié)合為基礎(chǔ)的。材料設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)主要有三類(lèi)：A以知識(shí)檢索、簡(jiǎn)單計(jì)算和推理為基礎(chǔ)的專(zhuān)家系統(tǒng)。B智能專(zhuān)家網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這是以模式識(shí)別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的專(zhuān)家系統(tǒng)。模式識(shí)別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是處理受多種因子影響的復(fù)雜數(shù)據(jù)集、用于總結(jié)半經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的有力工具。C以計(jì)算機(jī)模擬和計(jì)算為基礎(chǔ)的材料設(shè)計(jì)專(zhuān)家系統(tǒng)。在對(duì)材料的物理、化學(xué)基本性能已經(jīng)了解的前提下，有可能對(duì)材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬或用相關(guān)的理論進(jìn)行計(jì)算，以預(yù)測(cè)材料性能和工藝方案。（3）材料計(jì)算設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)模擬是利用計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)的材料系統(tǒng)進(jìn)行模擬“實(shí)驗(yàn)”，提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果和指導(dǎo)新材料研制，是材料設(shè)計(jì)的有效方法之一。（4）基于數(shù)據(jù)采掘的半經(jīng)驗(yàn)材料設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系和材料制備或加工過(guò)程控制是材料研究開(kāi)發(fā)的共同問(wèn)題。由于這些問(wèn)題涉及的體系非常復(fù)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(wú)量綱參數(shù)往往有用武之地。主要的方法是：A盡可能根據(jù)理論知識(shí)設(shè)計(jì)出能描述研究對(duì)象的多個(gè)無(wú)量綱數(shù)或參數(shù)，以其為坐標(biāo)軸張成多維空間，作為研究半經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的工具；B將大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)知識(shí)記入上述多維空間，考查多維空間中數(shù)據(jù)樣本分布規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，并用以預(yù)測(cè)未測(cè)、解決實(shí)際問(wèn)題。利用這些軟件可以預(yù)測(cè)合金相，預(yù)報(bào)材料性能和合金相圖特征量，可以?xún)?yōu)化材料制備工藝，進(jìn)行輔助實(shí)驗(yàn)探索和輔助智能加工等。2.7.5數(shù)學(xué)方法在材料（計(jì)算）設(shè)計(jì)中的應(yīng)用數(shù)學(xué)是科學(xué)技術(shù)中一門(mén)重要的基礎(chǔ)性學(xué)科，在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中，它不僅形成了自身完美、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚擉w系，而且成為其他科學(xué)技術(shù)必需的研究手段和工具。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)學(xué)的科學(xué)地位發(fā)生了巨大的變化?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)在理論上更加抽象，方法上更加綜合、更加精細(xì)，應(yīng)用上也更加廣泛。數(shù)學(xué)與材料科學(xué)交融產(chǎn)生了許多新的生長(zhǎng)點(diǎn)，數(shù)學(xué)直接為材料科學(xué)中非線(xiàn)性現(xiàn)象的定性和定量分析提供了精確的語(yǔ)言，有利于從理論的高度研究材料的內(nèi)在規(guī)律?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)方法的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c(diǎn)將為材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱應(yīng)力計(jì)算、斷裂分析、數(shù)值模擬以及結(jié)構(gòu)表征、缺陷分析等許多方面提供強(qiáng)有力的研究工具，也為材料科學(xué)目前遇到的大量無(wú)規(guī)律、非線(xiàn)性的復(fù)雜問(wèn)題提供解決辦法的新思路，今后將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。主要方法有：有限元法、遺傳算法、分形理論、小波分析、拓?fù)鋵W(xué)等。2.8材料失效分析（補(bǔ)充1）2.9材料使用與環(huán)境評(píng)價(jià)方法、協(xié)調(diào)性設(shè)計(jì)（補(bǔ)充2）三．材料研究發(fā)展趨勢(shì)、特點(diǎn)及思路材料科學(xué)有三個(gè)重要特點(diǎn)：一是多學(xué)科交叉，它是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子化學(xué)及計(jì)算科學(xué)相互融合與交叉的結(jié)果；二是與實(shí)際使用密切結(jié)合，發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開(kāi)發(fā)新材料，提高材料性能，合理使用材料，同時(shí)降低材料成本和減少環(huán)境污染等；三是正在發(fā)展中，它不像物理、化學(xué)等學(xué)科已經(jīng)有了一個(gè)很成熟的體系，材料科學(xué)將隨著各相關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到不斷的充實(shí)和完善。1.材料學(xué)科的交叉和滲透（具體及包括其他學(xué)科的影響導(dǎo)出部分2）（1）三大材料的交叉，衍生出許多的復(fù)合材料；（2）基礎(chǔ)學(xué)科向各材料學(xué)科的交叉和滲透；（3）各材料學(xué)科之間的相互滲透、移植與借鑒；（4）在制造技術(shù)上也是互相滲透、移植和借鑒；（5）新技術(shù)在各類(lèi)材料中都得到廣泛應(yīng)用。2.學(xué)科趨勢(shì)（系統(tǒng)本體情況）（1）各類(lèi)材料逐步趨向統(tǒng)一隨著人們對(duì)材料本質(zhì)認(rèn)識(shí)的深化，發(fā)展新材料已逐步擺脫炒菜式的老經(jīng)驗(yàn)，而要依賴(lài)于材料的設(shè)計(jì)。各類(lèi)材料逐步統(tǒng)一。各類(lèi)材料的嚴(yán)格區(qū)分逐漸在減小或消失。無(wú)論是金屬材料、還是無(wú)機(jī)非金屬材料或是有機(jī)高分子材料，它們的原子排列都會(huì)出現(xiàn)晶態(tài)、非晶態(tài)和微晶態(tài)（納米級(jí)）幾種基本狀態(tài)。各類(lèi)材料相互取代、補(bǔ)充，相互競(jìng)爭(zhēng)。各類(lèi)材料的一些原理相通，分析測(cè)試手段相同。（2）材料的發(fā)展和應(yīng)用是系統(tǒng)工程（材料設(shè)計(jì)）通過(guò)模型（六面體）可以進(jìn)行材料設(shè)計(jì)或工藝設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高性能及使用效能、節(jié)約資源、減少污染及降低成本的最佳狀態(tài)。材料設(shè)計(jì)可以從電子、光子出發(fā)，也可以從原子、原子集團(tuán)現(xiàn)代材料科學(xué)與工程的四元關(guān)系出發(fā)，可以從微觀、顯微到宏觀，視具體要求的性能而定。為實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì)，必須開(kāi)展深入的基礎(chǔ)研究，以了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，要建立完整的精確的數(shù)據(jù)庫(kù)，建立正確的物理和數(shù)學(xué)模型，重要的是各學(xué)科人員之間的通力合作。這是材料科學(xué)與工程最終努力的目標(biāo)。以往發(fā)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(lài)于材料加工的技術(shù)突破。（3）科學(xué)與工程的全面融合現(xiàn)在是按照高技術(shù)產(chǎn)品的特點(diǎn)要求來(lái)開(kāi)拓新性能、設(shè)計(jì)新材料及制造新工藝。對(duì)此往往無(wú)現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以依靠，所以必須依賴(lài)于現(xiàn)代儀器、基本理論以及計(jì)算機(jī)模擬等技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題。從這點(diǎn)上說(shuō)，科研、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的有機(jī)結(jié)合是發(fā)展新材料的有效的道路?，F(xiàn)代材料科學(xué)與工程的特點(diǎn)是科學(xué)的技術(shù)化，技術(shù)的科學(xué)化?？茖W(xué)和技術(shù)在材料研究，特別是新材料的研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中是密切聯(lián)系和有機(jī)結(jié)合的。（4）多學(xué)科和跨學(xué)科材料科學(xué)與工程研究的是包羅萬(wàn)象的各種材料，探討它們的成分、組織結(jié)構(gòu)、合成和加工技術(shù)、物理和化學(xué)等各項(xiàng)性質(zhì)及其應(yīng)用之間的關(guān)系，涉及科學(xué)和工程的各個(gè)側(cè)面，從而決定了它必然是多學(xué)科和跨學(xué)科的。當(dāng)今的材料時(shí)代對(duì)于材料工作者、科學(xué)家和工程師提出了越來(lái)越高的要求，要求他們具備廣闊的知識(shí)、深入的理論修養(yǎng)和豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)?？茖W(xué)方法的跨學(xué)科應(yīng)用在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展過(guò)程中將越來(lái)越多。宏觀事物具有統(tǒng)一性，所以不同學(xué)科之間存在著一定的共性和相似性。科學(xué)作為一個(gè)有機(jī)的整體，在各學(xué)科、各方向中存在著相互滲透和相互支撐的密切關(guān)系?，F(xiàn)代科學(xué)的細(xì)致分工，使一個(gè)學(xué)科的研究方法得以發(fā)展得非常細(xì)，其他學(xué)科直接或間接地加以借鑒運(yùn)用，實(shí)際上是一種思維方法的復(fù)制?！八街梢怨ビ瘛?。借鑒和應(yīng)用其他學(xué)科的科學(xué)方法和研究新進(jìn)展，可省去在本學(xué)科體系內(nèi)從頭發(fā)展類(lèi)似的方法，從而達(dá)到事半功倍的效果。近年來(lái)，材料學(xué)的發(fā)展得益于物理、化學(xué)、力學(xué)和信息科學(xué)等學(xué)科的理論、方法與研究手段向材料學(xué)的滲透，借助于這些學(xué)科的成果使材料科學(xué)逐漸向精密科學(xué)過(guò)渡，并進(jìn)入到現(xiàn)代自然科學(xué)的前沿。組織交叉學(xué)科研究是材料科學(xué)有所突破的必由之路。物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、化工、電子、機(jī)械、環(huán)境、能源等各類(lèi)知識(shí)的融合與運(yùn)用，成為當(dāng)今材料科學(xué)與工程進(jìn)展的新突破的重要特征，材料科學(xué)與工程是一門(mén)充滿(mǎn)生機(jī)、正在發(fā)展中的理工兼容的學(xué)科。（5）新思維、新方法、新發(fā)現(xiàn)和新理論不斷產(chǎn)生新材料的發(fā)展不僅是科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、軍事先進(jìn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也改變著人們的思維方式和實(shí)踐方式，推動(dòng)著社會(huì)的進(jìn)步。許多新材料開(kāi)發(fā)的思路、研究與應(yīng)用的過(guò)程本身就孕育著嶄新而深刻的認(rèn)識(shí)論與方法論，不斷地產(chǎn)生新理論和新發(fā)現(xiàn)。（6）綠色材料科學(xué)技術(shù)新材料的發(fā)展，無(wú)論是金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料還是有機(jī)高分子材料等研究開(kāi)發(fā)，都與資源、能源及環(huán)境密切相關(guān)。為確保人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須發(fā)展綠色材料科學(xué)技術(shù)。現(xiàn)代材料的發(fā)展不僅要求材料有優(yōu)異的性能，而且要求材料的制造、使用和廢棄的整個(gè)生命周期都應(yīng)與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)。為此20世紀(jì)90年代初提出了環(huán)境意識(shí)材料、生態(tài)環(huán)境材料、綠色材料、環(huán)境友好材料、發(fā)展綠色材料科學(xué)技術(shù)等，并且特別重視發(fā)展綠色化學(xué)—化工。研究和開(kāi)發(fā)新材料及其產(chǎn)業(yè)化時(shí)必須從微觀和宏觀結(jié)合的要求出發(fā)，把材料的化學(xué)成分與物理結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、使用性能、制備及加工，以及環(huán)境與資源等因素進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，走可持續(xù)發(fā)展的道路。3.材料思維方法（1）歸納與演繹法推理是根據(jù)一個(gè)或一些判斷得到另一個(gè)判斷的思維形式?？梢詮牟煌慕嵌葘?duì)推理進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)前提與結(jié)論之間的聯(lián)系特征，分為歸納法和演繹法兩大類(lèi)。歸納法是前提與結(jié)論之間有或然性聯(lián)系的推理，歸納是從特殊到一般；演繹法是前提與結(jié)論之間有必然性聯(lián)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(duì)象分解成幾個(gè)組成部分，然后分別加以研究，從而認(rèn)識(shí)事物的基礎(chǔ)或本質(zhì)的一種科學(xué)研究方法。分析方法是以客觀事物的整體與部分的關(guān)系為客觀基礎(chǔ)的。事物的各種屬性、部分或關(guān)系從不同方面表現(xiàn)了事物的整體性。客觀事物中的整體和部分之間的關(guān)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(diǎn)，在于它從事物的整體深入到它的各個(gè)組成部分，通過(guò)深入地認(rèn)識(shí)事物的各個(gè)組成部分來(lái)認(rèn)識(shí)事物的內(nèi)在本質(zhì)或整體規(guī)律?；旧嫌腥齻€(gè)環(huán)節(jié)：A把整體加以“解剖”，從整體中按照一定特性分離出各個(gè)部分；B深入分析各個(gè)部分的特殊本質(zhì)，這是分析方法的重要環(huán)節(jié)；C進(jìn)一步分析各個(gè)部分的相互聯(lián)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(gè)部分之間的相互作用的規(guī)律。由于分析方法具有以上特點(diǎn)，所以它在科學(xué)認(rèn)識(shí)發(fā)展中具有重要的意義。它使科學(xué)認(rèn)識(shí)從一個(gè)層次發(fā)展到更加深入的層次，它是使現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)進(jìn)入到本質(zhì)認(rèn)識(shí)的重要條件。分析方法幾乎貫穿于科學(xué)研究的全過(guò)程，并且滲透到所有的研究方法中。綜合的作用與特點(diǎn)綜合方法與分析方法相比，兩者認(rèn)識(shí)過(guò)程的方向是完全相反的。所謂綜合方法，就是把研究對(duì)象的各個(gè)部分聯(lián)系起來(lái)加以研究，從而在整體上把握事物的本質(zhì)和規(guī)律的一種科學(xué)研究方法。綜合方法在思維方式上的特點(diǎn)是，它把事物的各個(gè)部分聯(lián)結(jié)為整體時(shí)，力求通過(guò)全面掌握事物各部分、各方面的特點(diǎn)以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，然后加以概括和上升，從事物各部分及其屬性、關(guān)系的真實(shí)聯(lián)結(jié)和本來(lái)面目，復(fù)現(xiàn)事物的整體，綜合為多樣性的統(tǒng)一體。（3）類(lèi)比與移植法類(lèi)比法是指通過(guò)兩個(gè)或兩類(lèi)事物或現(xiàn)象進(jìn)行比較，根據(jù)相似點(diǎn)或相同點(diǎn)推論出它們的其他屬性或規(guī)律，也可能有相似點(diǎn)或相同點(diǎn)的結(jié)論。這是以比較為基礎(chǔ)，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(lèi)比法根據(jù)不同特點(diǎn)有數(shù)學(xué)相似類(lèi)比法，因果類(lèi)比法，綜合類(lèi)比法，對(duì)稱(chēng)類(lèi)比法，剩余類(lèi)比法等幾種類(lèi)型。因果類(lèi)比法是根據(jù)兩個(gè)對(duì)象的各自屬性之間都可能具有同一種因果關(guān)系而進(jìn)行推理的。該方法的結(jié)論有比較好的可靠性，但這種特殊對(duì)象的因果關(guān)系不一定適合另一個(gè)特殊對(duì)象，所以它仍然是一種或然性的推理。對(duì)稱(chēng)類(lèi)比法是根據(jù)對(duì)象的屬性之間具有對(duì)稱(chēng)性而進(jìn)行的推理。其結(jié)論往往比因果類(lèi)比的可靠性程度高，當(dāng)然它也是屬于或然性的推理。數(shù)學(xué)相似類(lèi)比法是根據(jù)對(duì)象的屬性之間具有某種確定的函數(shù)變化關(guān)系來(lái)進(jìn)行推理的。它可以定量地描述屬性之間的關(guān)系，可靠性程度比較高。綜合類(lèi)比法是根據(jù)對(duì)象屬性的多種關(guān)系的綜合相似而進(jìn)行的推理。綜合類(lèi)比法由于是根據(jù)屬性的多種關(guān)系來(lái)研究的，所以其結(jié)論基本上是可靠的。但實(shí)際上也不可能把所有的關(guān)系都綜合進(jìn)去，因此有時(shí)也會(huì)帶有或然性。所謂移植方法是指將某學(xué)科的原理、方法或技術(shù)等應(yīng)用于研究和解決同一學(xué)科內(nèi)的分支科學(xué)或其他學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的理論、技術(shù)或方法問(wèn)題，又稱(chēng)為轉(zhuǎn)域創(chuàng)造法。它是通過(guò)橫向、縱向聯(lián)想和類(lèi)比等方法進(jìn)行的。所以移植法和類(lèi)比法、聯(lián)想法有密切的聯(lián)系或相似。移植方法的特點(diǎn)是：A移植方法具有顯著的創(chuàng)新性。移植不是機(jī)械照搬，這中間需要運(yùn)用類(lèi)比法、科學(xué)概念、綜合方法、系統(tǒng)方法及科學(xué)想象力等多種創(chuàng)造性方法。B移植方法具有綜合性。只有對(duì)該學(xué)科的研究成果和其他學(xué)科的情況有比較深的領(lǐng)悟，才能科學(xué)地運(yùn)用移植法。移植方法也可以分成幾種類(lèi)型：A技術(shù)移植創(chuàng)新法，技術(shù)移植可以發(fā)明新技術(shù)、新產(chǎn)品；B原理移植創(chuàng)新法，適用于科學(xué)原理相同的情況；C方法移植創(chuàng)新法，將某學(xué)科內(nèi)的某種方法應(yīng)用到另一學(xué)科中去；D綜合移植創(chuàng)新法，多學(xué)科的多種研究成果綜合地移植到另一學(xué)科。這方法有比較大的難度，中間要經(jīng)過(guò)理論思維、綜合分析和重新組合等過(guò)程。其他還有結(jié)構(gòu)移植創(chuàng)新法、縱（橫）向移植法等類(lèi)型。（4）數(shù)學(xué)與模型法數(shù)學(xué)方法是揭示研究對(duì)象的本質(zhì)特征和變化規(guī)律的一種方法，是解決科學(xué)技術(shù)常用的，也是最重要的方法。具體說(shuō)來(lái)，數(shù)學(xué)方法是運(yùn)用數(shù)學(xué)所提供的概念、理論和對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)量、結(jié)構(gòu)等方面的定量的分析、描述和推導(dǎo)及計(jì)算，以便從量的概來(lái)對(duì)研究的問(wèn)題作出分析、判斷，認(rèn)識(shí)事物變化的本質(zhì)規(guī)律。數(shù)學(xué)方法在科學(xué)技術(shù)研究中的作用主要有：為科學(xué)研究提供簡(jiǎn)潔精確的形式化語(yǔ)言，用來(lái)描述問(wèn)題、表達(dá)科學(xué)內(nèi)容；為科學(xué)研究提供數(shù)量分析和計(jì)算的手段與技巧，達(dá)到精確把握事物的本質(zhì)特點(diǎn)和變化規(guī)律的目的；為科學(xué)研究提供可靠的邏輯推理和證明的工具，以便能作出科學(xué)預(yù)見(jiàn)，把握感性經(jīng)驗(yàn)以外的客觀世界。在材料科學(xué)中，研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)，就是在獲得了非歐幾何、希爾伯特空間等數(shù)學(xué)工具后才發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)代興起的材料計(jì)算學(xué)中的第一性原理計(jì)算就是建立在量子力學(xué)和量子化學(xué)等基礎(chǔ)上的。模型化方法模型化（Modeling）是用適當(dāng)?shù)奈淖帧D表和數(shù)學(xué)方程來(lái)表述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為的一種科學(xué)方法。系統(tǒng)模型化是系統(tǒng)分析過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。其中數(shù)學(xué)模型方法就是通過(guò)建立和研究客觀對(duì)象的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述和揭示事物本質(zhì)特征和變化規(guī)律的一種方法。它是解決科學(xué)技術(shù)問(wèn)題最常用和最重要的研究方法。作為數(shù)學(xué)模型，一般須具備以下條件：A既要反映現(xiàn)實(shí)原型的本質(zhì)特征和關(guān)系，又要加以合理的簡(jiǎn)化；B要能夠?qū)λ芯康膯?wèn)題進(jìn)行理論分析，邏輯推導(dǎo)，并能得出確定的解；C求得的解要能回到具體研究對(duì)象中去，解決實(shí)際問(wèn)題。像其他事物分類(lèi)一樣，根據(jù)不同的目的、內(nèi)容，從不同的角度其分類(lèi)也不同。按建立模型的方法有理論型，經(jīng)驗(yàn)型；按變量性質(zhì)分類(lèi)有確定性和隨機(jī)性型；按函數(shù)關(guān)系分，有線(xiàn)性和非線(xiàn)性型；還有其他方法的分類(lèi)。這里簡(jiǎn)單介紹理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ＤM亦稱(chēng)為仿真（Simulation），是模型化的繼續(xù)。有了模型后，還必須采用一定的模擬方法，對(duì)這初步的模型進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算或試驗(yàn)。通過(guò)模擬，可以獲得問(wèn)題的解答或改進(jìn)模型。模擬基本上可以分為三類(lèi)：幾何模擬，用放大或縮小的方法制備與系統(tǒng)原型相同的模型；數(shù)字模擬，對(duì)于建立的數(shù)學(xué)模型，可以用計(jì)算機(jī)等方法進(jìn)行計(jì)算模擬；物理模擬，采用類(lèi)比或相似等方法進(jìn)行模擬試驗(yàn)。（5）系統(tǒng)與優(yōu)化法系統(tǒng)是由若干相互聯(lián)系、相互作用的要素組成的，具有特定功能的有機(jī)整體。系統(tǒng)方法就是從系統(tǒng)整體的觀點(diǎn)出發(fā)，從系統(tǒng)與要素之間，要素與要素之間，以及系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互聯(lián)系、相互作用中考察對(duì)象，以達(dá)到最優(yōu)化地處理問(wèn)題的科學(xué)方法。原則：A整體性。整體是由部分組成的，是有機(jī)的結(jié)合，其本質(zhì)是整體與部分的統(tǒng)一，整體的功能不等于它的各個(gè)組成部分功能的總和。系統(tǒng)具有各個(gè)組成部分所沒(méi)有的新功能，但是系統(tǒng)的功能又是由內(nèi)部要素相互聯(lián)系、相互作用的方式所決定的。B最優(yōu)化。最優(yōu)化就是從多種可能的途徑中，選擇出最優(yōu)的系統(tǒng)方案，使系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)，達(dá)到最優(yōu)效果。實(shí)際上最優(yōu)化就是自然界物質(zhì)系統(tǒng)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。以生物系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在長(zhǎng)期的生物進(jìn)化過(guò)程中，各種生物都形成了最好地適應(yīng)周?chē)h(huán)境的精巧完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和最優(yōu)的整體功能。（6）假說(shuō)與理論法科學(xué)假說(shuō)的特點(diǎn)和作用在科學(xué)研究過(guò)程中，在通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)獲得事實(shí)數(shù)據(jù)材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行理性思維的和概括，對(duì)所研究的對(duì)象提出帶假定性的解釋和說(shuō)明，即科學(xué)假說(shuō)?？茖W(xué)假說(shuō)和科學(xué)理論是自然科學(xué)研究發(fā)展的重要形式，它們不僅是科學(xué)研究活動(dòng)的一般成果，而且是科學(xué)研究過(guò)程的重要環(huán)節(jié)和基本方法?？茖W(xué)假說(shuō)也就是根據(jù)已知的科學(xué)原理和科學(xué)事實(shí)，對(duì)未知的自然現(xiàn)象及規(guī)律性所作出的一種科學(xué)假定性說(shuō)明。一般有兩個(gè)特點(diǎn)。A假說(shuō)以一定的科學(xué)事實(shí)和已知的科學(xué)知識(shí)為依據(jù)，具有科學(xué)性。B假說(shuō)帶有一定的想象、推測(cè)的成分，所以具有或然性?？茖W(xué)假說(shuō)的基本特點(diǎn)決定了它在科學(xué)認(rèn)識(shí)過(guò)程中具有兩方面的作用。A科學(xué)假說(shuō)在科學(xué)觀察和實(shí)驗(yàn)中具有先導(dǎo)作用。（2）科學(xué)假說(shuō)在科學(xué)理論的形成和發(fā)展過(guò)程中起著橋梁的作用。從假說(shuō)的基本特點(diǎn)來(lái)看，提出科學(xué)假說(shuō)須遵循如下四條方法論的原則。A解釋原則；B對(duì)應(yīng)原則；C簡(jiǎn)單性原則；D可檢驗(yàn)性原則?？茖W(xué)理論是從科學(xué)實(shí)踐中抽象出來(lái)，又為科學(xué)實(shí)踐所證實(shí)，反映客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律的概括性知識(shí)體系?？茖W(xué)理論具有如下基本特征。A內(nèi)容上的客觀真理性。B結(jié)構(gòu)上的邏輯完備性。C功能上的科學(xué)預(yù)見(jiàn)性?？茖W(xué)理論的邏輯結(jié)構(gòu)由三個(gè)邏輯要素組成：基本概念、基本原理或定律和邏輯結(jié)論。從科學(xué)理論的方法結(jié)構(gòu)來(lái)看，它也由三個(gè)要素組成：抽象模型工具、概念語(yǔ)言工具和數(shù)學(xué)工具。抽象模型工具是表達(dá)科學(xué)理論的核心部分，是揭示和表征客體本質(zhì)的近似圖像。模型不僅是以專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)形式的概念語(yǔ)言來(lái)描述和表達(dá)的，而且是以數(shù)學(xué)形式來(lái)表達(dá)的。概念語(yǔ)言工具是建立的專(zhuān)門(mén)術(shù)語(yǔ)和語(yǔ)言的總和，是建立理論體系的過(guò)程中聯(lián)系思想模型和經(jīng)驗(yàn)材料之間的思維工具和形式。（7）原型啟發(fā)與仿生法原型啟發(fā)法，主要是對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行觀察、探索受到啟發(fā)來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究和創(chuàng)造發(fā)明的。啟發(fā)是從其他事物、現(xiàn)象中得到啟示后，找出解決某一問(wèn)題的途徑。起啟發(fā)作用的事物稱(chēng)為原型。如自然現(xiàn)象、日常生活、日常用品等都可以成為原型。仿生法實(shí)際上是指原型啟發(fā)法中的原型為自然界的動(dòng)植物或自然現(xiàn)象。原型啟發(fā)法的原理和方法如圖：4.材料研究的模型化與模擬科學(xué)研究的根本目的在于認(rèn)識(shí)世界、改造世界。然而，現(xiàn)實(shí)世界的絕大部分規(guī)律既不那么顯而易見(jiàn)，也不那么簡(jiǎn)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(zhì)規(guī)律?？茖W(xué)抽象意味著借助模型來(lái)研究現(xiàn)實(shí)世界某一方面的規(guī)律。設(shè)計(jì)和建立模型的過(guò)程被認(rèn)為是模型化中的基本步驟和最重要的環(huán)節(jié)。模型化作為經(jīng)典的科學(xué)研究方法，將真實(shí)情況簡(jiǎn)單化處理，建立一個(gè)反映真實(shí)情況本質(zhì)特性的模型，并進(jìn)行公式化描述。所以，抽象化建立模型可以認(rèn)為是提出理論的開(kāi)始。應(yīng)該指出，就模型的建立而言，不存在嚴(yán)格而統(tǒng)一的方法，尤其在材料科學(xué)研究領(lǐng)域，所處理的是各種不同的尺度范圍和不同的物理過(guò)程?！澳Ｐ突╩odeling）”和“模擬（simulation）”常被人為地區(qū)分開(kāi)來(lái)，實(shí)際上這兩個(gè)詞可以簡(jiǎn)單地當(dāng)作同義詞使用。從現(xiàn)行科學(xué)意義上理解，“模型化”即模型公式化和數(shù)值模型化。后者經(jīng)常被看作數(shù)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(jié)構(gòu)演化模型來(lái)說(shuō)，最理想的方法可能就是求解所研究材料的所有原子的運(yùn)動(dòng)方程。這一方法能給出所有原子在任一時(shí)刻的位置坐標(biāo)和速度，也就是說(shuō)，由此可預(yù)測(cè)微結(jié)構(gòu)的時(shí)間演化。在這種模擬方法中，構(gòu)造模型所需要的附加經(jīng)驗(yàn)性條件越少，其對(duì)原子之間相互作用力的描述就越詳盡。當(dāng)所研究的尺度為連續(xù)體近似時(shí)，與在原子尺度上的從頭計(jì)算方法相比，其模型在本質(zhì)上包含有唯象理論的成分，并且超出原子尺度越遠(yuǎn)，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(jié)構(gòu)模擬，而對(duì)介觀和宏觀系統(tǒng)，由于含有1023個(gè)以上原子數(shù)目，要應(yīng)用原子方法進(jìn)行處理是非常困難的。就目前而言，即便采用球?qū)ΨQ(chēng)型原子對(duì)勢(shì)，原子模擬方法也只能處理到最多108個(gè)原子。因此，對(duì)于大于納觀尺度的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型化時(shí)，應(yīng)考慮連續(xù)體模型。由于實(shí)際微結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，所以要在連續(xù)體尺度上，選擇能夠準(zhǔn)確刻畫(huà)微結(jié)構(gòu)特征的因變量，將是一件艱巨而重要的任務(wù)。原子方法主要用于納米尺度范圍的微結(jié)構(gòu)模擬，而對(duì)介觀和宏觀系統(tǒng)，由于含有1023個(gè)以上原子數(shù)目，要應(yīng)用原子方法進(jìn)行處理是非常困難的。為了獲得關(guān)于微結(jié)構(gòu)的合理而簡(jiǎn)單的模型，首先要對(duì)所研究的真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，由此推導(dǎo)出合乎邏輯的、富有啟發(fā)性的假說(shuō)。根據(jù)已獲得的物理圖像，通過(guò)包括主要物理機(jī)制在內(nèi)的唯象本構(gòu)性質(zhì)，就可以在大于原子尺度的層次上對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行描述。唯象構(gòu)想只有轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型時(shí)才有實(shí)用價(jià)值。轉(zhuǎn)換過(guò)程要求定義或恰當(dāng)選擇相應(yīng)的自變量（亦稱(chēng)為獨(dú)立變量，independentvariables）、因變量（dependentvariableorstatevar-iable），并進(jìn)而確立運(yùn)動(dòng)方程、狀態(tài)方程、演化方程、物理參數(shù)、邊界條件和初值條件以及對(duì)應(yīng)的恰當(dāng)算法，見(jiàn)下表。（2）自變量與因變量根據(jù)定義，自變量可以自由選取。在近來(lái)發(fā)展起來(lái)的高級(jí)微結(jié)構(gòu)模型中，一般把時(shí)間和空間坐標(biāo)作為自變量。因變量是自變量的函數(shù)。如不考慮它們的歷史，因變量的取值決定了系統(tǒng)在任一時(shí)刻所處的狀態(tài)。在經(jīng)典熱力學(xué)中，因變量分為廣延變量（與質(zhì)量成正比）和強(qiáng)度變量（與質(zhì)量無(wú)關(guān)）。在微結(jié)構(gòu)力學(xué)中，還經(jīng)常作進(jìn)一步的區(qū)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(jié)構(gòu)性質(zhì)的一類(lèi)量，諸如粒子或晶粒大??；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(jīng)驗(yàn)性的多項(xiàng)式模型。材料種類(lèi)及其制造過(guò)程是很復(fù)雜的，大部分難以找到簡(jiǎn)明的描述方式，所以在工業(yè)領(lǐng)域多變量模型化方法很有用，有時(shí)還是必要的。盡管如此，多變量方法對(duì)于從物理本質(zhì)角度來(lái)說(shuō)是一種并不理想的方法。因此，本構(gòu)模型化的關(guān)鍵問(wèn)題就是在可調(diào)參數(shù)和具有明確物理意義的因變量之間尋找到一種“平衡”。（3）運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和狀態(tài)方程對(duì)固體來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程常用于計(jì)算一些相關(guān)參數(shù)，例如應(yīng)變、應(yīng)變率等。運(yùn)動(dòng)學(xué)約束條件常常是由樣品制造過(guò)程和研究時(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程所施加的。通過(guò)狀態(tài)方程可以把材料的性質(zhì)與因變量的實(shí)際取值聯(lián)系起來(lái)，諸如電阻、屈服應(yīng)力、自由焓等。由于因變量通常是自變量的函數(shù)，所以狀態(tài)方程的值也依賴(lài)于自變量。狀態(tài)方程是與路徑無(wú)關(guān)的函數(shù)。這就意味著，在不計(jì)因變量初值和演化歷史時(shí)，由狀態(tài)方程提供了計(jì)算材料性質(zhì)的基本方法。關(guān)于狀態(tài)方程的基本參數(shù)值，可以通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出。通常，微結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程可以把材料的內(nèi)部和外部變化的響應(yīng)定量化，即不同的狀態(tài)方程表示了材料的不同特性。（4）各種參數(shù)狀態(tài)方程的因變量具有以各種參數(shù)為基礎(chǔ)的加權(quán)平均性質(zhì)，并要求具有一定的物理意義和經(jīng)得起實(shí)驗(yàn)或理論的檢驗(yàn)。無(wú)論哪一種模擬方法，要確定各種恰當(dāng)?shù)膮?shù)并具體給出它們的正確取值都是非常難的，尤其是對(duì)于介觀尺度上的材料模擬來(lái)說(shuō)，更是如此。在介觀尺度上，各參數(shù)的取值還將依賴(lài)于其他參量，并且與因變量本身有關(guān)。這就意味著，在構(gòu)成狀態(tài)方程的要素中包含有非線(xiàn)性因素，并與其他狀態(tài)方程組成耦合方程組。此外，許多材料參數(shù)對(duì)狀態(tài)方程都具有較強(qiáng)的直接影響，例如在熱激活的情況下，其參數(shù)與變量之間是指數(shù)函數(shù)。晶（粒邊）界運(yùn)動(dòng)的活化能出現(xiàn)于指數(shù)項(xiàng)中，并強(qiáng)烈地依賴(lài)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(zhì)原子的濃度。前面提到的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、狀態(tài)方程、演化方程等，在形式上可以以代數(shù)的、微分的或積分的形式建立起來(lái)，這取決于所選擇的因變量、自變量以及所確立的因變量數(shù)學(xué)模型。所有方程和各種參數(shù)一起共同刻畫(huà)了材料的響應(yīng)特性，這就是本構(gòu)方程。4.1.2數(shù)值模型化與模擬前面討論的屬于模型構(gòu)造（或模型設(shè)計(jì)）的范疇。模型化的第二層意思，就是與模型相聯(lián)系的有關(guān)控制方程的數(shù)值解法。這一過(guò)程常被定義為“數(shù)值模型化”，或稱(chēng)之為“模擬”。這是指“關(guān)于一系列數(shù)學(xué)表達(dá)式的求解”，亦即通過(guò)一系列路徑相關(guān)函數(shù)和路徑無(wú)關(guān)函數(shù)以及恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和初值條件，可以把構(gòu)造模型的基礎(chǔ)要素定量化。盡管數(shù)值模型化和模擬兩者從根本上說(shuō)的是同一件事情，但在使用中二者常常會(huì)以稍有區(qū)別的方式出現(xiàn)。一般而言，把數(shù)值模型化理解為建立模型和構(gòu)造程序編碼的全過(guò)程，而模擬則常用于描述“數(shù)值化實(shí)驗(yàn)”。根據(jù)這樣的理解，模型化是由唯象理論及程序設(shè)計(jì)的所有工作步驟構(gòu)成；而模擬所描述的則僅僅是在一定條件下的程序應(yīng)用。數(shù)值模型化和模擬的區(qū)別，還與“尺度”有關(guān)?！皵?shù)字模型化”一詞主要用于描述宏觀或介觀尺度上的數(shù)值解法，而不涉及微觀尺度上的模型問(wèn)題。對(duì)于微觀體系中的模型計(jì)算通常稱(chēng)為“模擬”。例如，把分子動(dòng)力學(xué)所描述的原子位置和速度說(shuō)成是由模擬方法獲得的，而不是說(shuō)成是由模型化方法獲得的。在使用“模型化”和“模擬”兩個(gè)詞時(shí)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(shí)，即許多經(jīng)典模型不需要使用計(jì)算機(jī)，但可以表達(dá)成嚴(yán)格形式而給出解析解。然而，可以用解析方法進(jìn)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(yù)測(cè)位錯(cuò)密度和應(yīng)力且不包括單個(gè)位錯(cuò)準(zhǔn)確位置的塑性模型。模擬方法通常是在把所求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為大量微觀事件的情況下，提供一種數(shù)值解法。所以，“模擬”這一概念常常是和多體問(wèn)題的空間離散化解法結(jié)合在一起的（如多體可以是多個(gè)原子、多個(gè)分子、多個(gè)位錯(cuò)、有限個(gè)元素）。下面給出模擬與數(shù)值模型化定義。所謂微結(jié)構(gòu)模擬，是通過(guò)求解在空間和時(shí)間高度離散化條件下反映所考慮的基本晶格缺陷（真實(shí)的物理缺陷）或準(zhǔn)缺陷（人工微觀系統(tǒng)組元）行為特性的代數(shù)型、微分型或積分型方程式，給出關(guān)于微觀或介觀尺度上多體問(wèn)題公式化模型的數(shù)值解。微結(jié)構(gòu)數(shù)值（或解析）模型化，是指通過(guò)在時(shí)間高度離散化而空間離散化程度低的情況下關(guān)于整個(gè)晶格缺陷系統(tǒng)的代數(shù)型、微分型和積分型控制方程式的求解，給出宏觀模型的數(shù)值（或解析）解。當(dāng)在同一尺度層次上應(yīng)用于處理同一物理問(wèn)題時(shí)，數(shù)值模型化一般要比模擬速度快，這就是說(shuō)，數(shù)值模型化可以包括更大的空間尺度和時(shí)間尺度。數(shù)值模型化的這一優(yōu)勢(shì)是非常重要的，尤其在工業(yè)應(yīng)用方面這一優(yōu)勢(shì)更為突出。但由于數(shù)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(yù)測(cè)能力較差。4.1.3模型的基本范疇與分類(lèi)（1）空間尺度與維度（數(shù)）根據(jù)不同的近似精度，可以對(duì)微結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分類(lèi)。通常，把模型簡(jiǎn)單地按照其所使用的特征尺度來(lái)劃分。一般可把模型分為四類(lèi)，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(lián)系，介觀對(duì)應(yīng)于晶粒尺度上的晶格缺陷系統(tǒng)，微觀則相當(dāng)于晶粒尺度以下的晶格缺陷系統(tǒng)，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(jù)模型的空間維度來(lái)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(duì)其結(jié)果的合理解釋至關(guān)重要。例如，對(duì)于包含滑移且具有一定幾何形狀的系統(tǒng)，以及位錯(cuò)相互作用系統(tǒng)，不能用二維模擬方法進(jìn)行處理，而只能采用三維模擬方法。這一點(diǎn)在Taylor型模擬和較為復(fù)雜的晶體塑性有限元法中是非常重要的。即使是常規(guī)的有限元模擬方法，分別由二維和三維模型獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果之間的差別也是不可忽略的。例如，在對(duì)軋制過(guò)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(jì)。當(dāng)把位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)從二維推廣到三維時(shí)，能夠正確描述位錯(cuò)增殖效應(yīng)，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(lèi)，即連續(xù)體模型和原子模型。連續(xù)體模型是在考慮了唯象和經(jīng)驗(yàn)本構(gòu)方程及附加的約束條件下，建立描述材料響應(yīng)特性的微分方程。連續(xù)體模型的典型例子有經(jīng)典有限元模型、多晶體模型、自洽方法、位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)方法以及相場(chǎng)模型等。如果要獲得微結(jié)構(gòu)性質(zhì)更為詳細(xì)的預(yù)測(cè)信息，則連續(xù)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(xù)體模型相比，原子模型包含有較少的唯象假說(shuō)。原子模型的典型例子有經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)和蒙特卡羅方法。實(shí)際上，基于第一性原理的從頭計(jì)算模型，其主要目的在于對(duì)有限數(shù)目的原子的薛定諤方程給出近似解。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)與緊束縛近似或者局域密度泛函理論相結(jié)合，以及通過(guò)蒙特卡羅方法，可以演繹出各種不同的從頭計(jì)算方法。它們?cè)陉P(guān)于材料的基本物性、基本結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)單晶格缺陷行為特性的預(yù)測(cè)方面，其重要性逐漸增加。（3）預(yù)測(cè)性特征模型具有預(yù)測(cè)性特征。確定性模型，就是基于把一些代數(shù)方程或微分方程作為靜態(tài)方程和演化方程，以明確嚴(yán)格的模擬方式描述微結(jié)構(gòu)的演化。隨機(jī)性模型，就是使用概率方法對(duì)微結(jié)構(gòu)的演化進(jìn)行模擬描述。建立隨機(jī)性模型的目的在于采用一系列隨機(jī)數(shù)去完成大量的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)模擬。隨機(jī)性模型在微結(jié)構(gòu)空間離散化模擬方面的推廣應(yīng)用有了很大發(fā)展。如蒙特卡羅方法是常規(guī)隨機(jī)性模型的典型例子。近年來(lái)，人們提出了各種改進(jìn)型方法，并在空間離散化微結(jié)構(gòu)模擬方法中引入了微觀隨機(jī)性概念?？臻g離散化隨機(jī)性方法的典型例子有研究擴(kuò)散和短程有序的蒙特卡羅模型，模擬微結(jié)構(gòu)非平衡相變現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)波茨模型，研究微區(qū)塑性、擴(kuò)散、斷裂力學(xué)和多孔介質(zhì)性質(zhì)的隨機(jī)性逾滲模型，以及通過(guò)朗之萬(wàn)力來(lái)處理熱激活過(guò)程的位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)高級(jí)模擬方法。（4）描述性特征第一性原理模型，其目的在于通過(guò)最少的假說(shuō)與唯象定律，獲得構(gòu)成所研究系統(tǒng)的根本特性和機(jī)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(wú)法說(shuō)清其根源也無(wú)法證明其正確性的假說(shuō)。計(jì)算材料學(xué)中的大多數(shù)模擬方法都是唯象的，亦即它們使用了必須與某些物理現(xiàn)象相符合的狀態(tài)方程及其演化方程。在這些方法中，大多數(shù)原子的詳細(xì)信息諸如電子結(jié)構(gòu)，通常是在考慮了晶格缺陷的情況下平均給出的。經(jīng)驗(yàn)性方法可以在要求的精度范圍內(nèi)，從數(shù)學(xué)角度給出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的結(jié)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(guò)程可以看作是一個(gè)基本的步驟，在其中必須確定哪些因變量對(duì)系統(tǒng)性能有較強(qiáng)的影響，哪些因變量對(duì)系統(tǒng)的影響較弱，但在經(jīng)驗(yàn)性模型中不區(qū)分重要的和不重要的貢獻(xiàn)。唯象模型具備一定的預(yù)測(cè)能力。一般來(lái)說(shuō)，純經(jīng)驗(yàn)性的方法是沒(méi)有什么意義的。由于引入模糊集合理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，使經(jīng)驗(yàn)性方法的應(yīng)用情況得到了改善。（5）系列檢驗(yàn)法一個(gè)很重要的問(wèn)題是模型的有效性。在材料研究中，確實(shí)存在著這樣的情況，對(duì)同一合金現(xiàn)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(rèn)真的比較。各個(gè)模型或方法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較已經(jīng)很好的建立起來(lái)，但綜合各模擬方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的橫向比較還很少見(jiàn)到。定量化系列檢驗(yàn)法的使用仍是對(duì)現(xiàn)行模擬工作的一種必要而合理的補(bǔ)充。例如，作為比較多晶塑性模型的系列檢驗(yàn)法，它應(yīng)當(dāng)涵蓋下列一些方面。A模擬方法必須處理同一種標(biāo)準(zhǔn)材料，這種標(biāo)準(zhǔn)材料應(yīng)具有嚴(yán)格定義的冶金學(xué)特性，例如化學(xué)性質(zhì)、晶粒大小、晶粒形狀、強(qiáng)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(xué)試驗(yàn)參數(shù)，它們必須采用同樣的數(shù)據(jù)；C所有預(yù)測(cè)須同一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，所用實(shí)驗(yàn)結(jié)果須是在嚴(yán)格定義的條件下獲得的；D輸入數(shù)據(jù)中必須包含一組等同的離散取向數(shù)據(jù)；E從輸出數(shù)據(jù)中獲得的取向分布函數(shù)必須使用同樣的方法進(jìn)行計(jì)算推斷；F對(duì)所描述或提交的數(shù)據(jù)必須采用同一方式；G對(duì)比較結(jié)果應(yīng)該給以詳細(xì)討論，并且公開(kāi)發(fā)表。4.1.4模型化的基本思路結(jié)構(gòu)模型大致分為納觀、微觀、介觀和宏觀等系統(tǒng)。由于微結(jié)構(gòu)組分在空間和時(shí)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(fù)雜的，要從物理上量化地預(yù)言微結(jié)構(gòu)的演化與微結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系是比較困難的。所以采用各種模型和模擬方法進(jìn)行研究是非常必要的，尤其是對(duì)不能給出嚴(yán)格解析解或不易在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行研究的問(wèn)題，應(yīng)用模型和模擬更為重要。而且，就實(shí)際應(yīng)用而言，應(yīng)用數(shù)值近似方法進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，可以有效地減少在優(yōu)化材料和設(shè)計(jì)新工藝方面所必須進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)。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(mǎn)足所研究材料性質(zhì)的計(jì)算精度要求；其次是建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行公式化處理。所建模型一般來(lái)說(shuō)應(yīng)由兩部分組成，一是狀態(tài)方程，用于描述由給定態(tài)變量定義的材料性質(zhì)；二是演化方程，用于描述態(tài)變量作為自變量的函數(shù)的變化情況。在材料力學(xué)中，狀態(tài)方程一般給出材料的靜態(tài)特性，而演化方程描述了材料的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，在因制備過(guò)程或所考慮實(shí)驗(yàn)對(duì)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(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。無(wú)論是從頭計(jì)算，還是唯象理論，通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)囊蜃兞浚顟B(tài)方程和演化方程都是很有啟發(fā)性的。變量的選擇是模型化中最重要的一個(gè)步驟，它是近似處理問(wèn)題時(shí)所特有的物理方法?；谶@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(wèn)題的初始條件和邊界條件。從而使開(kāi)始時(shí)所給出的模型變成了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述形式。這樣一來(lái)，對(duì)所考慮問(wèn)題的最終求解就可以用模擬方法或數(shù)值實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行。由于計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和存儲(chǔ)能力的不斷提高，以及在工業(yè)和科學(xué)研究方面對(duì)定量預(yù)測(cè)要求的不斷增加，大大促進(jìn)了數(shù)值方法在材料科學(xué)中的應(yīng)用。因此，理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)定和模擬計(jì)算已成為現(xiàn)代科學(xué)研究的三種主要方法。20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，模擬計(jì)算的地位日漸突顯。在新材料的研究和開(kāi)發(fā)中，采用分子模擬技術(shù)，從分子的微觀性質(zhì)推算及預(yù)測(cè)產(chǎn)品與材料的介觀、宏觀性質(zhì)，已成為新興的學(xué)術(shù)方向。無(wú)論是材料的物理模擬，還是材料的計(jì)算設(shè)計(jì)或數(shù)值模擬，一般都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)模擬起的作用可認(rèn)為是一種用來(lái)檢驗(yàn)理論而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，這種在將理論應(yīng)用于客觀世界之前而加以篩選的方法稱(chēng)之為計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)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(gòu)筑新理論的方法。4.1.5模型的實(shí)際應(yīng)用（1）物理模擬材料研究的物理模擬物理學(xué)研究問(wèn)題的最基本方法是建立物理模型。物理模型是對(duì)具有相同物理本質(zhì)特征的一類(lèi)事物的抽象。為了達(dá)到對(duì)事物本質(zhì)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)，必須根據(jù)所研究對(duì)象及問(wèn)題的特點(diǎn)，把次要的非本質(zhì)的因素舍棄、撇開(kāi)，有意地提取主要的和本質(zhì)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(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律時(shí)，忽略物體的形狀和大小而把物體抽象成具有一定質(zhì)量的幾何點(diǎn)來(lái)建立質(zhì)點(diǎn)模型；在熱學(xué)中建立理想氣體等模型。這些物理模型是建立物理規(guī)律的基礎(chǔ)，如質(zhì)點(diǎn)或點(diǎn)電荷模型是萬(wàn)有引力定律、牛頓定律、庫(kù)侖定律等基本規(guī)律建立的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外在材料加工領(lǐng)域開(kāi)展了許多物理模擬方面的研究工作，例如，物理模擬技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是焊接熱循環(huán)曲線(xiàn)、熱影響區(qū)組織和性能、焊接冷熱裂紋等；物理模擬技術(shù)在壓力加工領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是塑性變形及抗力、再結(jié)晶規(guī)律、CCT曲線(xiàn)測(cè)定等；物理模擬技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是形成過(guò)程的熱與力學(xué)行為、金屬的熔化與凝固控制、晶體生長(zhǎng)與控制等；物理模擬技術(shù)在新材料開(kāi)發(fā)及熱處理領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是碳/碳復(fù)合材料力學(xué)性能、鋁基復(fù)合材料高溫變形行為、金屬間化合物拉伸性能、退火過(guò)程、熱/力疲勞等。物理模擬基本概念物理模擬（PhysicalSimulation）是一個(gè)內(nèi)涵非常豐富的廣義概念，也是一種重要的科學(xué)方法和工程手段。通常，物理模擬是指縮小或放大比例，或簡(jiǎn)化條件，或代用材料，用試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)代替原型的研究。如新型飛機(jī)設(shè)計(jì)的風(fēng)洞試驗(yàn)，塑性成形過(guò)程中的密云紋法技術(shù)，電路設(shè)計(jì)中的試驗(yàn)電路，以及宇航員的太空環(huán)境模擬試驗(yàn)艙等。在工程技術(shù)中，物理模擬就是利用物理模型模擬實(shí)際系統(tǒng)的行為和過(guò)程的方法，即通過(guò)建立物理模型和試驗(yàn)了解實(shí)際系統(tǒng)的行為特征。物理模擬的突出優(yōu)點(diǎn)是基本上用實(shí)物模擬研究對(duì)象的方法，它直觀地給出研究對(duì)象的空間構(gòu)造形式、外部幾何特征、結(jié)構(gòu)尺寸以及其組成部分之間聯(lián)系和相互作用的結(jié)構(gòu)特征。另外，系統(tǒng)未建成時(shí)不可能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)；即使對(duì)于已建成的系統(tǒng)，在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)也是不經(jīng)濟(jì)的（如軋鋼系統(tǒng)，由于規(guī)模大，進(jìn)行一次試驗(yàn)要化很多資金）；有時(shí)甚至是不允許的。如電力系統(tǒng)、核反應(yīng)堆系統(tǒng)，由于這種系統(tǒng)的安全性將會(huì)對(duì)社會(huì)及人身產(chǎn)生很大的影響，一般是不允許直接在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行沒(méi)有把握的試驗(yàn)的。因此常常要求對(duì)模型先進(jìn)行試驗(yàn)，以便獲得研究系統(tǒng)所必須的信息。由于物理模擬不是直接對(duì)實(shí)際系統(tǒng)本身試驗(yàn)，而是利用物理特性相似模擬，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)進(jìn)行小規(guī)模模擬試驗(yàn)，因此在科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)和管理系統(tǒng)的合理運(yùn)行方式的研究中都有重要應(yīng)用。有些重大工程設(shè)計(jì)、規(guī)劃及可行性研究都是首先建造出物理模型進(jìn)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(guò)模型試驗(yàn)，考查方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，預(yù)測(cè)工程的最終效果并獲得重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。著名的阿波羅登月工程就是