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 中国科学院金属研究所

形状的秘密——宏观与微观世界的自相似性(上)

材料新视野
2015年03月09日
一、问题的由来
图1
当温总理看到这片土地时,眉头紧锁。他想到了什么?春耕问题?老百姓的饮水问题?如何提高抵御自然灾害的能力?
看到这幅图会想到什么?我想不同的人会有不同的思考和答案。
图片2
当我看到这幅图时,我想到韩国的基督岛、西藏阿里的土林地貌、还有大自然的一片杨树叶。它们形状独特却又惊人的相似。
图片4
韩国基督岛
地质学家介绍基督岛地貌的成因:熔岩遇海水冷却结晶,熔岩的化学成分令冷却层的压力平均分布于中心点的四周,因而把熔岩拉开,形成规则的六边形。
图片5
西藏阿里
地貌学家介绍西藏阿里地貌的成因:远古时期该地区所处的湖盆沉积层在喜马拉雅造山运动影响下,随着水位下降、湖盆抬高,并在气候及河水侵蚀切割之下形成的。
图片7
图片8
大自然中的树叶
植物学家:从叶脉的密度、叶脉间距、小型叶脉分布区域数量决定了叶片的形状。
为何宏观的地貌与树叶的微观形貌会有如此的相似之处呢?
答案是:宏观和微观具有自相似性
大自然的独特形状是由什么因素控制的?
主要基因或成分决定的,同时也受外部环境的影响,如大气的温度、湿度、风力等。
在材料科学领域,金属晶体中相也有类似的形状,如定向凝固工艺的柱状(胞状)晶,经过浸蚀形成的晶界。
从宏观到微观同属于一个世界,但是否共享相同的规律?
二、成因的探讨
凝固(L-S)过程相的形态符合界面稳定性理论:通过改变G、V来得到平面晶、胞状晶、树枝晶。出现高温合金的定向凝固和单晶铸造工艺,极大推动航空业的发展。
时效(S-S)过程析出相的形状符合什么理论?
沿晶界析出的碳化物损害塑性而不连续粒状析出时增加其强度和塑性。高温合金中立方体的g¢比球状g¢抗蠕变性能好。
因此研究沉淀相的生长形状规律,对提高材料的性能有重要作用。
(未完待续)