Materials Science and Engineering: An Introduction（材料科学と工学入門）

引用

Callister, W. D., Jr., & Rethwisch, D. G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction (10th ed.). Wiley.

章の要約

第10版は約990ページ、全22章で、その後に章ごとにまとめられた問題の部、8つの付録（A～H）、用語集、一部の問題の解答、索引が続く。各章は学習目標で始まり、要約、式の要約、記号一覧、重要用語・概念、参考文献で終わる。本文には「重要な材料（Materials of Importance）」というコラムと、いくつかのケーススタディ（リバティ船の破壊、炭酸飲料の容器、ボーイング787など）が散りばめられている。出版社は、本書が3つの主要な材料（金属、セラミックス、高分子）と複合材料を軸に、構造要素と特性の関係を中心に組み立てられていると説明している。

第1章：序論

最初の章は歴史的な視点を示し、材料科学と材料工学を区別したうえで、材料選択の観点から材料を学ぶ理由を述べる。使用条件、使用中の劣化、コストである。中心となる考え方は加工、構造、特性、性能の結びつきで、透明度の異なる3枚の酸化アルミニウム円板で説明される。脚注ではこの枠組みが再利用・リサイクル性にまで拡張される。この章はまた、材料を金属、セラミックス、高分子、複合材料、先端材料に分類し、6種類の特性（力学的、電気的、熱的、磁気的、光学的、劣化特性）を予告する。

第2～4章：原子構造と原子間結合／結晶性固体の構造／固体中の欠陥

この3章で構造に関する語彙を築く。第2章は原子中の電子、周期表、一次結合と二次結合を扱う。第3章は単位格子、金属の結晶構造、密度の計算、結晶系、結晶学的な点・方向・面、最密構造、異方性、X線回折、非晶質固体を扱う。第4章は点欠陥、不純物と組成、転位、界面欠陥と体積欠陥、そして顕微鏡観察と結晶粒度の測定を扱う。

第5章：拡散

拡散の機構、フィックの第1法則と第2法則、拡散に影響する要因、半導体材料中の拡散を扱い、集積回路のアルミニウム配線に関するコラムがある。

第6～8章：金属の力学的性質／転位と強化機構／破損

第6章は応力とひずみ、弾性変形と塑性変形、引張特性、真応力と真ひずみ、硬さ、そして特性のばらつきと設計・安全係数を導入する。第7章は転位とすべり系に戻ったうえで、金属を強化する方法（結晶粒の微細化、固溶強化、ひずみ硬化）と軟化させる方法（回復、再結晶、粒成長）を扱う。第8章は破壊と破壊力学、疲労（S–N曲線、き裂の発生と進展）、クリープを扱う。

第9～11章：状態図／相変態：微細組織の発達と力学的性質の変化／金属合金の応用と加工

第9章は定義と一成分系状態図から出発し、二元全率固溶系と共晶系、ギブスの相律、鉄–セメンタイト状態図へ進む。第10章は変態の速度論、恒温変態図と連続冷却変態図、焼戻しマルテンサイトを含む鉄–炭素合金の力学的挙動を扱う。第11章は鉄鋼系と非鉄の合金、成形、鋳造、3Dプリンティング、焼なまし、鋼の熱処理、析出硬化へと移る。

第12～13章：セラミックスの構造と性質／セラミックスの応用と加工

第12章はセラミックスの結晶構造、ケイ酸塩、炭素、欠陥、セラミックスの状態図、脆性破壊を含む力学的挙動を扱う。第13章はガラス、粘土製品、耐火物、研磨材、セメント、先端セラミックスと、粉末プレス、テープ成形、3Dプリンティングを含むその製造を扱う。

第14～15章：高分子の構造／高分子の特性・応用・加工

第14章は炭化水素分子と高分子分子、分子量、分子の形と構造、熱可塑性と熱硬化性の高分子、共重合体、結晶化度を述べる。第15章は粘弾性を含む力学的挙動、融解とガラス転移、高分子の種類と用途、重合、添加剤、成形技術を扱う。

第16章：複合材料

粒子強化および繊維強化の複合材料、高分子基・金属基・セラミックス基の複合材料、構造用複合材料、ナノ複合材料。

第17章：材料の腐食と劣化

電気化学の基礎、腐食速度とその予測、不動態、腐食の形態と防止、酸化、そしてセラミックスと高分子の劣化。

第18～21章：電気的性質／熱的性質／磁気的性質／光学的性質

第18章は電気伝導とバンド構造から出発し、半導体、ホール効果、デバイスを経て誘電的挙動まで進む。第19～21章は順に、熱容量・熱膨張・熱伝導、磁性と超伝導、光と固体の相互作用・ルミネセンス・レーザー・光ファイバーを扱う。

第22章：材料科学・工学における環境・社会の問題

環境・社会面の考察とリサイクルを扱う短い最終章で、生分解性・生物由来の高分子に関するコラムがある。

主要概念

第1～5章：基礎

• 加工–構造–特性–性能：この学問の中心的な枠組みで、第1章で示され、以後くり返し参照される。
• 結晶構造と欠陥：単位格子、結晶学的な方向と面、そして理想的な状態からのずれである点欠陥、線欠陥、界面欠陥、体積欠陥。
• 拡散：フィックの法則で記述される原子の移動。

第6～11章：金属

• 応力–ひずみ挙動：弾性変形と塑性変形、および設計・安全係数。
• 転位と強化：すべり、結晶粒微細化、固溶強化、ひずみ硬化の機構。
• 破損：破壊、疲労、クリープ。
• 状態図と相変態：平衡相、そして鉄–炭素合金で微細組織をつくる速度論。

第12～17章：その他の材料と劣化

• セラミックスと高分子の構造–特性関係：構造、力学的挙動、加工が対になった章で扱われる。
• 複合材料：粒子型、繊維型、構造型。
• 腐食：電気化学反応と腐食の諸形態。

第18～22章：機能特性と持続可能性

• 電子伝導と半導体：バンド構造、キャリア、デバイス。
• 熱・磁気・光に対する応答：第1章で導入された残りの特性群。
• リサイクル：最終章での材料再利用の扱い。

批判的分析

長所

• すべての材料群を貫く一貫した枠組み。 金属、セラミックス、高分子それぞれに対になった章（構造と特性、続いて応用と加工）があり、最後の特性の章も第1章で示された枠組みに従うので、読者は各材料群を同じ尺度で比較できる。
• 各章に学習の補助がある。 目次には各章の学習目標、要約、式の要約、記号一覧、用語一覧が挙げられており、第1章の抜粋は後の節への相互参照も含む（たとえばリバティ船のケーススタディから第8章の破壊の各節への参照）。
• 参照用の表。 付録には、代表的な工業材料の特性（密度、弾性率、強度と延性、破壊靭性、熱膨張と熱伝導、比熱、電気抵抗率）、コストと相対コスト、高分子の繰り返し単位、ガラス転移温度と融点が含まれ、材料選択の演習に使える。
• 新しい話題。 Wileyは、材料パラダイムと材料選択チャート、3Dプリンティングと積層造形、生体材料、リサイクル、ホール効果を本版の新規・更新項目として挙げている。目次を見ると、金属・セラミックス・高分子の各章に3Dプリンティングの節がある。

短所

• 分量。 約990ページあり、1つの課程で扱える範囲を超える。第16～21章と第11～15章の一部は、通読ではなく選択して読むのが普通である。
• 深さより広さ。 単独の教科書がある主題が1章で扱われる。たとえば相変態は第10章の約45ページにとどまる。
• 持続可能性の扱いが集中している。 環境・社会の問題は主に約12ページの最終章にあり、ほかに第1章の脚注がある。
• 問題が章から分離している。 問題は第22章のあとにまとめられているため、演習のために巻末まで行く必要がある。

コースにおける位置づけ

本書は、材料科学の書目における汎用的な最初の教科書である。Christopher Hall の Materials: A Very Short Introduction は、同じ3つの材料群を数式なしで短く概観するもので、先に読むことができる。Ashby、Shercliff、Cebon の Introduction to Materials Science and Engineering: A Design-Led Approach も最初の課程向けの教科書で、技術者が材料に何をさせたいかから出発するため、まず選択と設計から入りたい読者に向く。これに対し Callister と Rethwisch は原子と構造から出発して積み上げていく。

特定の方向では、さらに先へ進む本が2冊ある。Meyers と Chawla の Mechanical Behavior of Materials は、第6～8章と第15章の背後にある機構をより深く扱う。Porter、Easterling、Sherif の Phase Transformations in Metals and Alloys は第9～10章の続きにあたる。本サイトには同じ本の以前の版（第8版）も掲載されている。両者は同じ22章構成だが、この第10版には上記の追加項目がある。

本書の使い方

本書は、最初の材料の授業を受けるあらゆる分野の工学系学生に向けたものである。第2章が原子中の電子と周期表から始まるため、材料の授業を先に履修している必要はない。結合や高分子の章には入門化学が、電気・熱・磁気・光の章には入門物理が役に立つ。

1学期の授業向けの実践的な進め方：

• 中核： 第1～9章を順に読む。熱処理が必要な人は、さらに第10章と第11章の鋼に関する節を読む。
• 専攻に応じて選ぶ： セラミックスと高分子は第12～15章、腐食は第17章、第18～21章は電気・熱・磁気・光のどれに重点があるかで選ぶ。
• 材料選択の練習： 特性表とコストの付録を、第1章の基準（使用条件、劣化、コスト）と組み合わせて、簡単な部品の候補材料を比較する。
• 学習の手順： まず学習目標を読み、巻末の各章の問題に取り組み、一部の問題の解答で確認する。