金属材料科学发展的历程与人类思维方式的演变

金属材料科学发展的历程与人类思

维方式的演变

摘要：纵览了人类思维方式的演变、自然科学和金属材料科学发展的历程，阐述了金属材料及其理论的层次性和相关性。介绍了我们为实现金属材料科学设计的规划轮廓。

关键字：材料科学物理金属学材料设计系统论

材料科学是探索研究和制造新材料规律的科学，它不仅指出特殊材料研制的特殊方法，而日‘还揭示出各种不同材料研制的共同规律。材料科学技术是一门技术科学，它介于基础科学和工程技术之间。与基础科学相比较，材料科学技术更接近于具体实践。而与工程技术相比较，它则更接近于理论研究。它是基础科学研究中基础理论转化为应用技术的中间环节。它的主要特点是将具体技术中带有共同性的科学问题集中起来加以研究。在材料科学研究中，探寻其中的哲学问题对材料科学技术的发展很有必要。

1．人类思维方式的演变与自然科学的发展

人类对客观世界的认识经历了“朴素整体论”和“分解论”(或称还原论)的时代，当前正处于向“系统论”演变的新时代。回顾人类思维方式的演变和科学发展的历程对我们进行创造性思维和卓有成效的工作是极为有益的。

中世纪以前的古代科学是处于“朴素整体论”的时代。由于低的生产力和科学水平的限制，人们并不知道每一事物是一个具有复杂结构的系统，也不能认清事物之间联系的细节，古代的先哲们就是在这种情况下追求事物的整体性和统一性的。古中国的先哲们就曾以“金、木、水、火、土”解释万物构成的世界。

随着生产力和科学水平的提高，人类进人了“分解论”的时代。人们运用割断事物之间联系的方法，把研究的事物从联系中抽出来，进行结构、特性、原因和结果的细致研究。首先是自然科学从哲学中脱解出来，随之，数学、天文学、物理学、化学、生物学等学科相继形成。随着人们认识的深化和知识的不断积累，这种“分解”进一步在每一学科内延续。

分解论的思维方式所追求的是对事物精确和严密的逻辑性描述，反对含糊笼统的臆断。人类每作一步分解，便有新的理论建立。人类运用这种思维方式取得了永远值得自豪的光辉成就。在这一时代出现了以哥白尼、伽俐略、牛顿和爱因斯坦等为代表的一大批成就卓著的科学家。

然而，分解论的思维方式并不是尽善尽美的，由于层层分解，忽略甚至完全割断事物之间的固有联系，就会使事物发生“变形”，以致使人们不能从整体上把握事物的性质和总的发展规律，甚至有时导致了精确性与正确性相冲突的结论。

“分久必合，合久必分”。由于生产力和科学技术的高度发展，知识的大量积累，分解论思维方式的局限性更加显露，导致了一个新的系统论思维方式的产生。

系统论的创始人贝塔朗菲说，生物学走的是还原论的道路，研究越来越细，一直研究到分子，叫分子生物学。但是最后说到生命现象到底怎么回事，好像越来越渺茫，研究的越细，对“整体”越说不清楚。他认为应朝另一个方向来看待研究的对象，从而提出了系统思想，建立了系统论。

人们经历了分解论思维方式时代以后，逐渐以系统的思维方式重新开始对自然界进行综合的整体性探索。如果说在过去人们每作一次新的“分解”便有一批鲜艳的花朵开放，那么在当今系统论的时代，人们每作一次新的“综合”便有一批丰硕的果实成熟。这意味着只有经历了分解论时代，才能进入系统论时代。同时也只有在这一新的时代，自然科学家才能从整体上把握事物的全部特征及其演变规律。至今己有一批专门性的系统科学和相应的系统工程产生;一批新兴的综合性科学和一批横向科学也相继出现。

2．人类思维方式的演变与金属材料科学的发展

Meh1和Cahn详细叙述了金属材料科学发展的历史[1]，本文将以他们提供的史料为主要依据，结合各专门学科和理论形成情况，将人类思维方式在金属材料科学中的体现划分为四个时期，将金属材料科学的发展历程划分为相应的四个阶段(见表1)。

2.1物理金属学的孕育阶段（19世纪以前)

在冶金学方面,19世纪以前的漫长历史是人们思维方式处于朴素整体论时期，有关金属材料的工艺技术和科学并属于英文“Metallurgy”和中文“冶金学”之中，甚至整个技艺，包括冶炼、提纯、合金化、成型和处理是由同一类技师来承担。在18世纪，化学和物理学从自然科学中脱解出来，但冶金学仍包容着化学和物理的内容。当时冶金学家和化学家难以区分，一些著名的物理学家也在进行着有关金属的组织和性质的先导性研究。伽俐略测量了金属的拉伸强度、虎克提出了著名的弹性定律、牛顿考虑了断裂表面、Reaumur用放大镜观察了金属晶粒尺寸并预言了奥氏体晶粒尺寸对硬化的影响。冶金学孕育着化学冶金和物理金属学的分解。

2. 2物理金属学的生长阶段(19世纪)

19世纪是人们思维方式处于分解论的初期，冶金学分解为化学冶金和物理金属学。金相学、晶体学、合金宏观热力学及相图和材料力学等专门学科的相继出现是物理金属学发育形成的主要标志。

Hessel在1830年提出了32种晶类，Bravais在1849年提出了14种平移点阵。在19世纪末，Federov, Schoenfliesz和Barlow各自独立地导出了230种空间群。晶体学的这些成就奠定了对金属材料晶体结构本质认识的基础。

被尊为金相之父的Sorby于1864年首次摄得钢的金相照片。随后又观察到珍珠色的珠光体组织，并认识到珠光体是由一种均匀的高温相分解而形成的，淬火时这种组织的形成就被抑止。因此，他已清楚地认识钢中相转变的存在和应用。由于组织与性质有着密切的关系，应用金相显微镜研究的热潮迅速高涨，钢中一些有特殊意义的组织相继被发现，钢的质量控制和检测主要依赖于金相学。

在有关合金系相组成的知识发展过程中，Gibbs的相律具有里程碑作用。由相律所阐明的相平衡条件获得广泛的应用。Roozeboom应用相律最先建立了Fe-Fe3C的平衡相图，随后又有Heycock及Nevill对铜-锡系相组成所作的工作，表明合金热力学及相图这个重要的专门学科分支已经形成。

在工业革命时期，钢主要作为结构材料使用，因此材料的力学性能极受关注。由于Young,Cauchy和Poisson等的工作成就，普通材料力学实验和弹性理论到1871年已经完全建立起来。对于大应力作用下材料的塑性变形、加工硬化以及退火引起再结晶软化均有了初步研究。

2. 3物理金属学的成熟阶段（1900~ 1980 ）

这一时期的主要特征是：

(1)原有专门学科进一步分解和深化；

(2)脱解出大量新的理论，以至达到接近极限的程度；

(3)由实验归纳法向数学演绎法转变，分解沦思维方式发展到高级阶段。

这里仅列举对物理金属学的发展具有深刻意义的几个方面。

1912年Laue的实验既证明组成晶体的原子在空间排列的周期性和对称性，同时也证明了X射线波的本质。随后，Bragg等建立的晶体X射线衍射学使科