材料科學(xué)基礎(chǔ)中抽象概念具體化的探索與實(shí)踐

孫國(guó)元 舒玲燕 袁麗娟

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》對(duì)于材料科學(xué)與工程及相關(guān)學(xué)科的重要性，一是體現(xiàn)在該課程所涉及的內(nèi)容，如晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷、固體中的原子與分子的運(yùn)動(dòng)、金屬與合金的凝固與結(jié)晶、金屬的塑性變形和再結(jié)晶、固體相變等在專(zhuān)業(yè)知識(shí)體系中的核心地位方面；二是因?yàn)樯鲜龌纠碚摷跋嚓P(guān)原理是后續(xù)《材料成形原理》、《材料加工冶金傳輸原理》、《材料力學(xué)性能》等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課與其他專(zhuān)業(yè)課程所必須的基本知識(shí)。此外，《材料科學(xué)基礎(chǔ)》還是幾乎所有學(xué)校材料類(lèi)學(xué)科考研的專(zhuān)業(yè)考試課程。然而，由于該課程中的很多重要概念讓學(xué)生感覺(jué)到非常抽象，加之該課程又是學(xué)生所接觸到的第一門(mén)真正意義上的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)起來(lái)要理解這些概念比較困難。因此，如何使學(xué)生能夠盡快地接受并理解這些抽象的概念，繼而掌握與之相關(guān)的基本原理，就成為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的當(dāng)務(wù)之急。為此，我們?cè)诮陙?lái)的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程教學(xué)過(guò)程中，盡量注意對(duì)某些抽象概念的具體化，收到了良好的效果。

本文首先以“抽象”與“具體”的辯證關(guān)系為出發(fā)點(diǎn)，分析了學(xué)生在接受科學(xué)文化知識(shí)過(guò)程中的認(rèn)知規(guī)律；然后以《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程中兩個(gè)抽象的概念——“平衡”與“非平衡”為例，結(jié)合課程中的一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)——固溶體的平衡與非平衡凝固過(guò)程分析，展示了我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中使抽象概念具體化方面的探索和實(shí)踐。

一 從“具體”到“抽象”的認(rèn)知規(guī)律

“抽象”和“具體”屬于辯證法的范疇。人們對(duì)客觀事物的認(rèn)識(shí)，往往從先接觸一些“具體”現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)思考、消化并加以概括，千差萬(wàn)別的事物的共性反映到人腦中并被人所把握， 從而達(dá)到理性認(rèn)識(shí)，從“具體”上升到“抽象”。學(xué)生接受科學(xué)文化知識(shí)的過(guò)程也不例外，往往需要先接觸一些現(xiàn)象，或從先接觸一些材料有了感性認(rèn)識(shí)開(kāi)始；經(jīng)過(guò)歸納、整理，從“具體”上升到“抽象”，達(dá)到從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的升華，從而掌握事物的共性、本質(zhì)。因此在教學(xué)中采取從“具體”到“抽象”的方法是符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律的。這樣的教學(xué)方法能夠使學(xué)生更容易理解某些“抽象”的概念，進(jìn)而接受相關(guān)原理與機(jī)制。當(dāng)然，人的認(rèn)識(shí)雖然從對(duì)“具體”的事物反映開(kāi)始，但并不能僅僅停留于反映， 而是要經(jīng)過(guò)抽象加工以上升到理性認(rèn)識(shí)，這樣才能達(dá)到認(rèn)識(shí)事物的共性、本質(zhì)的目的。

二 材料科學(xué)基礎(chǔ)中基本概念的抽象性解析

《材料科學(xué)基礎(chǔ)》中重要的基本概念多而抽象，如位錯(cuò)、擴(kuò)散、回復(fù)與再結(jié)晶、平衡凝固與非平衡凝固等等。以平衡凝固與非平衡凝固為例，首先它們是許多傳統(tǒng)金屬材料如鑄造鋁合金、鑄造鎂合金凝固過(guò)程中的一個(gè)基本現(xiàn)象。如果不能正確理解“非平衡凝固”概念的含義，就無(wú)法解釋這些合金室溫組織形成的機(jī)制。此外，非平衡凝固技術(shù)也是當(dāng)今材料領(lǐng)域研究新型金屬材料，如金屬納米與非晶態(tài)材料等亞穩(wěn)態(tài)材料的重要途徑之一。然而，對(duì)“平衡凝固”與“非平衡凝固”過(guò)程的認(rèn)知又必須建立在對(duì)“平衡”與“非平衡”兩個(gè)抽象概念的完全理解基礎(chǔ)之上。

通常，“平衡”和“非平衡”這兩個(gè)抽象的概念與“穩(wěn)定”的概念緊密相關(guān)[1]。首先，“平衡”與“非平衡”是指的一種狀態(tài)，如某一相是“非平衡”的，則談不上什么穩(wěn)定，即非平衡必不穩(wěn)定；如果某一相是“平衡”的，則又分為“穩(wěn)定平衡”和“亞穩(wěn)平衡”。若某種擾動(dòng)不足以破壞平衡狀態(tài)，則這種平衡稱(chēng)為 “穩(wěn)定平衡”；若某種擾動(dòng)足以破壞平衡狀態(tài)，則這種平衡稱(chēng)為“亞穩(wěn)平衡”。其次，“平衡”是一個(gè)相對(duì)概念。在熱力學(xué)中，平衡的相對(duì)性具體指：（1）在同一相的內(nèi)部，一部分與另一部分之間的平衡。這時(shí)各個(gè)部分的狀態(tài)不隨時(shí)間和空間變化；（2）某一相與其他相之間的平衡。

三 抽象概念具體化的探索與實(shí)踐

為了使“平衡”與“非平衡”抽象概念具體化，我們以圖1所示的合金凝固過(guò)程為例，先讓學(xué)生接觸固溶體的“平衡凝固”與“非平衡凝固”現(xiàn)象，以幫學(xué)生建立起對(duì)“平衡”與“非平衡”概念的感性認(rèn)識(shí)。

圖1是液相完全互溶、固相部分互溶的A-B二元共晶合金相圖。當(dāng)原始成分為C0的合金熔體從高溫液相L冷卻至溫度T0時(shí)析出固相α。隨后，在從溫度T0開(kāi)始，經(jīng)過(guò)T1→T2→TE的冷卻過(guò)程中，如果凝固速度足夠緩慢，則α相的成分沿著固相線1→2變化，并且在溫度T2時(shí)凝固完畢，得到成分均勻的α相。這就是固溶體的“平衡凝固”。然而，由于實(shí)際的凝固過(guò)程不可能滿(mǎn)足上述足夠緩慢的條件，使得從一開(kāi)始的T0溫度起，在接下來(lái)的T1、T2直到TE溫度的每一溫度下，雖然在固-液界面處的α相的成分依然是沿著固相線1→2變化，但是由于在每一溫度下不能保持足夠的擴(kuò)散時(shí)間，因而在每一溫度下的α相的平均成分是沿著成分線1→2′變化的。也就是說(shuō)，此時(shí)的α相平均的成分總是低于對(duì)應(yīng)溫度下平衡凝固過(guò)程獲得的α相在的平均成分的。這就是固溶體的“非平衡凝固”，它偏離了平衡凝固條件。

圖1 固溶體的平衡凝固與非平衡凝固過(guò)程分析示意圖

通過(guò)上述平衡凝固與非平衡凝固過(guò)程的分析，我們建立起了這樣的一種感性認(rèn)識(shí)，即所謂平衡凝固，是指凝固過(guò)程的每個(gè)階段都能達(dá)到平衡，即在相變過(guò)程中有充分的時(shí)間進(jìn)行組元間的擴(kuò)散，以達(dá)到平衡相的成分。因此從理論上講，只有當(dāng)冷卻速度無(wú)限緩慢時(shí)，平衡凝固才可能實(shí)現(xiàn)。然而，在工業(yè)生產(chǎn)中，合金溶液澆鑄后的冷卻速度較快，在每一溫度下不能保持足夠的擴(kuò)散時(shí)間[2]，這就使實(shí)際凝固過(guò)程偏離了平衡條件而表現(xiàn)為非平衡凝固。

有了對(duì)“平衡凝固”和“非平衡凝固”基本概念的理解，我們就容易讓學(xué)生接受并理解后續(xù)內(nèi)容中的“非平衡共晶”和“離異共晶”的概念及與這兩個(gè)相關(guān)的合金凝固過(guò)程。首先，對(duì)于某些小于飽和溶解度的合金來(lái)說(shuō)，在平衡凝固條件下獲得單相固溶體，而在快速冷卻時(shí)可能出現(xiàn)少量的共晶體，這樣得到共晶體就是所謂的“非平衡共晶體”。如圖一中的成分為C0的合金，由于非平衡過(guò)程導(dǎo)致其在固相線溫度T2時(shí)還未結(jié)晶完畢，仍然剩下少量液體。待其冷卻到共晶溫度TE時(shí)，剩余液相的成分達(dá)到共晶成分而發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成（α+β）兩相共晶組織。這就是非平衡共晶組織，它們分布在α相的晶界和枝晶之間的最后凝固處。

進(jìn)一步地，根據(jù)杠桿定律可以估算出這些非平衡共晶的數(shù)量相對(duì)于初生α相來(lái)說(shuō)很少，因此這些非平衡共晶體中的α相通常會(huì)依附于初生α相生長(zhǎng)，將共晶體中的另一相β相推到最后凝固的晶界處，從而使共晶體兩組成相間的組織特征消失，這種兩相分離的共晶體就是所謂的“離異共晶”體。如圖2所示，對(duì)于鋁含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在2-12.7%范圍的Mg-Al合金，在非平衡凝固條件下，當(dāng)溫度低于液相線溫度時(shí)合金液開(kāi)始凝固析出初生α-Mg相；隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)行，由于Al原子在固相中擴(kuò)散緩慢，析出的α相的平均成分偏離平衡固相線，當(dāng)溫度降至固相線時(shí)凝固并沒(méi)有結(jié)束。在凝固后期，α相晶?；蛑чg的剩余液相成分達(dá)到共晶成分，并在共晶溫度時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。由于(α-Mg+β-Mg17Al12)共晶體的數(shù)量相對(duì)于初生α-Mg相來(lái)說(shuō)很少，轉(zhuǎn)變過(guò)程中共晶體中的α相將依附于初晶的α相生長(zhǎng)，使共晶β相在晶界處獨(dú)立長(zhǎng)大，從而形成離異共晶組織（如圖3）。顯示α-Mg晶間分布的網(wǎng)狀離異共晶β相[3]。

圖2 Mg-Al系鎂合金平衡相圖

圖3 Mg-Al系鎂合金在非平衡凝固條件下形成的鑄態(tài)組織（a）空冷（b）580℃爐內(nèi)隨爐緩冷

[1]吳鏘.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].南京東南大學(xué)出版社2000年

[2]胡賡祥，蔡珣，戎詠華.材料科學(xué)基礎(chǔ)[M].上海上海交通大學(xué)出版社2000年

[3]夏鵬舉，蔣百靈，張菊梅，張繼源，袁森.Mg-Al系鎂合金離異共晶 β 相的研究[J].種鑄造及有色合金.2007，27（5）