马克思主义哲学在裂纹传播与扩展的分子动力学中的指导作用

【摘 要】在现代生产力加速发展的实践过程中,科学研究起着不可估量的巨大影响. 而哲学是人类认知世界、对现有世界进行改造的方法论之总结.在研究裂纹传播的分子动力学研究过程中,只有以马克思主义哲学观点为指导,才能够揭示材料中断裂的机理与规律,预测发展规律,帮助工业工程师调控材料,从而减少断裂事故的出现.

【关 键 词 】马克思主义哲学,裂纹传播,方法

【Abstract】Scientific research shed light on the development of modern productivity, and philosophy is the harvest of methodology by which the humans know and rebuild the world. Only by the guidance of Marxist philosophy, we can reveal the laws of fracture mechani, which give very usuful support to control and reduce the fracture accidents.

【Key words】Marxist philosophy, Crack propagation, Method

回顾人类的发展过程,哲学先于科学发展,可以说,哲学是科学的源头和母亲,科学只是哲学的一个支派.如何才能在自然科学发展的同时保持人类社会与自然的平衡,这需要哲学思想的指导.[1]

恩格斯曾经说过“无论自然科学家采用什么样的态度,他们还得受哲学的支配”[2],对于物理学而言,研究自然界和人类社会生产和生活中的运动规律和发展规律,只是哲学中的一部分.

哲学提供了正确的世界观和自然科学发展的指导思想.回看物理学发展历史,出现了一系列的关于主体对客观世界认识出现偏差的情况,究其原因无不都是哲学思想出现了偏差.哲学作为方法论,在科研活动过程中不断指导科学家去进行科研活动.[3]

本文将结合经历的科研活动本身,在研究和实践活动自己的一些哲学思考做归纳总结,这样,能够更好的指导更深层次科研活动的展开.

1.论文的选题始于问题,来源于实践,立足于各学科之间的接触点

自然辩证法中讲到科学研究要始于问题,而问题的来源是从实践中得来的,离开了客观存在事实,脱离了实践,也就无从引出问题.经过周密的调研,我发现：断裂是材料或构件中非常严重的失效方式,在非常多的情况下,都能造成灾难性的可怕后果.因此,我选定裂纹扩展研究作为自己的研究方向,研究材料中断裂的机理与规律,帮助工业工程师调控材料,从而减少断裂事故的出现.

经过进一步的调研,我发现：近几年的研究结果表明,裂纹的前端是原子级的尖锐,因此新的研究方法需要建立在原子或分子尺度,这样才能更好的发现材料断裂问题的微观机理.

我选取的研究内容涉及了物理学、材料学、机械工程、数学、计算机、分子动力学、计算软件等多学科接触的体系,这是近几年新兴的一个跨学科分支――“计算材料学”,而多学科之间相互接触、融合正是适应了现代科学的发展.在相互融洽的情况下,不同学科之间传统的专业壁垒必将被人们所打破,使现代科学走上日益整体化的道路.

2.裂纹传播与扩展的分子动力学研究中的哲学思考

2.1 构建数学物理模型时,要遵循哲学指导思想下的物质统一性原理

在构建物理模型过程中,需要遵循哲学指导思想下的物质统一性,就可以合理地模拟物质的分子结构.因此在建模时,在空间中重复填充这些最基本单元,之后采用自然界共性所遵循的熵最大原理和能量最低原理,进行分子动力学弛豫,直到达到平衡状态,达到的平衡状态就是单晶硅存在于自然界中的理想形态.

另一方面,作为研究主体的人类大脑和计算机运算也具有物质统一性.人类的大脑对外部的客观实际进行分析和总结概括,寻找事物的客观规律,计算机通过人类的输入建模获得对客观实物的认识,而后按照预定的设计,模拟客观事物的客观规律,寻找规律性.因此,从功能上来讲,计算机和人类大脑是统一的,都具备世界物质的统一性.

2.2 裂纹扩展过程中存在着矛盾的辩证关系

对于材料而言,强度和韧性之间存在着一定的内在矛盾.提高大多数材料的强度时,通常会导致材料脆性的增加,现行的办法是根据不同材料在不同场合下的使用,在强度和韧性之间寻求一个最佳的匹配值.

通常以能量分析的方法,来研究裂纹扩展的能量变化,裂纹扩展要消耗的能量主要用于生成两个新表面的能量和用于消耗变形功,通常把这部分的能量称之为裂纹扩展的阻力,这是事物本质的属性,反映了材料本身不想被分开的意愿.既然裂纹扩展有阻力,那么只有当外载提供足够的动力时,裂纹的扩展才有可能,这里面,裂纹扩展的阻力和裂纹扩展动力是一对矛盾,这是裂纹扩展前期的主要矛盾.裂纹扩展后,此时,存在的矛盾是诸因素对裂纹扩展方向影响.

2.3 裂纹扩展过程中,存在量变与质变的辩证关系

应力场强度因子KⅠ的值随着外载而变化,这是一种渐进性的变化,反映了材料弹性的连续性.当应力场强度因子KⅠ的值达到KⅠC时,裂纹失稳开始扩展,材料弹性的连续性遭到破坏.KⅠ和KⅠC的关系可以看成是量变和质变的辩证关系,当外载逐渐增加时,KⅠ随之缓慢增加,裂纹扩展的趋势逐渐增强,当增加至KⅠC时,此时体系内的矛盾的主要方面是裂纹扩展,这是KⅠ缓慢增加的必然结果.

可见,任何质变的发生都是始于量变,量变是质变的必要筹备,质变是量变的必然结果,当量变积累达到事物的度,质变就出现了.

2.4 裂纹扩展过程中,存在着结构与功能的辩证关系

唯物辩证法认为,结构是物质形态的普遍属性,反映了事物内部各种要素相互联系与组织方式,我们在实验中发现,随着KⅠ缓慢增加,裂纹前端原子键开始断裂,为了抵制断键影响,维持裂纹稳定性,单晶硅材料自身通过原子键的旋转和交换,形成了不同于原有六圆环结构的圆环结构.

在内部和外部的关联中,具备特定结构的事物展现出来的配套能力称为功能.我们在研究中发现,这些新的圆环结构主要起到下面的作用：降低了裂纹前端的应力集中,提升了裂纹扩展的能量势垒,延缓裂纹的扩展.因此这些新的圆环结构可以看成是材料自身所具备的自保护机制.

2.5 裂纹扩展的分子动力学模拟中体现着“原型”与“模型”之间的关系

我们的实验属于模型实验中的物理模拟,因此,对模拟实验的结果必须要作出客观的评价,校正、补充或筛选模型,多次模拟,加以验证,直到获得最真实的,能够反映原型本质属性的模型,然后将模型的实验结果合理地外推到原型中.

3.小结

综上所述,在研究裂纹传播的分子动力学研究过程中,只有以马克思主义哲学观点为指导,才能够揭示材料中断裂的机理与规律,预测发展规律,帮助工业工程师调控材料,从而减少断裂事故的出现.

【参考文献】

[1]马克思恩格斯全集：第一卷[M].121.

[2]恩格斯.自然辩证法[M].187.

[3]李文照.论马克思主义哲学与自然科学的双向转移[J].广东社会科学,1993（5）.

[责任编辑：汤静]

作者简介：李梦（1981―）,男,河南南阳人,博士,中原工学院,讲师,主要从事材料模拟与计算研究.