Introduction to Materials Science and Engineering: A Design-Led Approach（材料科学与工程导论：设计主导的方法）

引用

Ashby, M. F., Shercliff, H., & Cebon, D. (2023). Introduction to Materials Science and Engineering: A Design-Led Approach. Butterworth-Heinemann (Elsevier).

章节概要

全书约700页，包括十二章、四个处理需要更多练习之话题的"引导学习单元"（Guided Learning Units），以及一个材料性能数据附录。出版社将本书的方法称为"设计主导"：先通过案例研究分析性能、把性能与设计要求相匹配，再讲解每种性能背后的科学。章名体现了这种安排：每种力学性能都与它所限制的那一类应用配对出现。

第1章：导论——材料的历史、分类与性能

开篇一章把材料放在历史背景中，将材料分门别类，并介绍工程师比较材料时所用的性能。

第2章：材料、工艺与设计

本章提出贯穿全书的联系：设计需要具有合适性能的材料，而这些性能取决于材料的加工方式。

第3章：材料性能与微观组织——概述与原子尺度基础

科学内容从这里开始：概述性能如何源于微观组织和原子尺度的结构。第一个引导学习单元（晶体学）是对本章的扩展。

第4–6章：弹性刚度与刚度受限的应用；塑性、屈服、延性与强度受限的应用；断裂、疲劳与断裂受限的应用

全书的力学核心。每章讨论一类性能（弹性刚度；屈服、塑性与延性；断裂与疲劳），并与受该性能限制的设计配对：不能变形过大的零件、不能屈服的零件、不能断裂的零件。

第7–8章：材料与热——热性能；高温下的材料——扩散与蠕变

两章讨论温度：先讲材料的热性能，再讲材料在高温下使用时的情形，此时扩散和缓慢的蠕变变形决定性能。

第9章：表面——摩擦、磨损、氧化、腐蚀

本章讨论发生在表面的现象：力学方面的摩擦与磨损，化学方面的氧化与腐蚀。

第10章：功能性能——电、磁、光

讨论非力学性能的唯一一章，涵盖电学、磁学和光学行为。

第11章：制造工艺与微观组织演变

本章回到加工，把制造视为确定微观组织、进而确定性能的阶段。第三、第四引导学习单元（工艺选择；相图与相变）为本章提供支撑。

第12章：材料、环境与可持续性

全书以材料使用的环境问题和可持续性作结。

引导学习单元1–4与附录A

四个单元分别是"晶体学的简单概念""设计中的材料选择""设计中的工艺选择"和"相图与相变"。出版社称它们是在正文之外单独展开的话题。附录A汇集了材料性能数据。

核心概念

第1–3章：材料、设计与微观组织

• 材料类别：把工程材料划分为具有各自典型性能范围的若干族。
• 材料—工艺—设计三角：设计要求、材料选择和加工路线必须一并决定的观点。
• 微观组织：材料在原子尺度以上的内部结构，它把原子尺度的键合与可测量的性能联系起来。

第4–6章：力学性能

• 刚度受限设计：设计那些由弹性模量和形状决定的载荷挠度必须控制在限度内的零件。
• 屈服与延性：永久变形的开始，以及失效前发生变形的能力；它们支配强度受限的应用。
• 断裂与疲劳：在单次载荷或反复载荷下因裂纹扩展而导致的失效。

第7–10章：热、表面与功能性能

• 蠕变：高温下由扩散控制、随时间缓慢发展的变形。
• 腐蚀与氧化：环境对材料表面的化学侵蚀。
• 功能性能：区别于力学性能的电学、磁学和光学行为。

第11–12章与引导学习单元

• 加工与微观组织演变：制造步骤如何改变微观组织，从而改变性能。
• 相图：表示合金平衡相随成分和温度变化的图。
• 材料与工艺选择：根据设计要求在候选材料和工艺之间进行系统选择。

评析

优点

• 设计问题优先。 出版社说明，本书先通过真实案例研究把性能与设计相匹配，再考察其科学根源。章名始终体现这一安排，第4–6章尤其明显：每种性能都与它所限制的应用并列出现。本书面向的是更关心材料用途、而非晶体学的学生。
• 重视图示表达。 与阿什比的其他教材一样，本书大量依靠材料性能图和示意图；出版社称，这些图用来说明性能从何而来、如何改变以及受什么限制。
• 数学要求低。 出版社表示，本书只要求第一门材料课程所需的最少数学，适合多个工程专业学生共同修读的一年级课程。
• 可单独使用的练习单元。 晶体学、选择方法和相图被放在引导学习单元中，而不在正文各章里。教师可以在合适的时间安排它们，需要在某个话题上多加练习的学生也知道去哪里找。教师可获得解答手册和图库。

局限

• 科学内容重广度而非深度。 原子尺度的基础只占一个概述章，电、磁、光性能合用一章。材料或电气专业的学生在这些话题上需要另一本以科学为主线的教材。
• 相变不在主线中。 相图只以引导学习单元的形式出现，因此以合金微观组织为核心的课程需要有意把这一单元提前。
• 作为第一门课程的教材偏长。 全书约700页，内容超过大多数一学期课程所能讲授的量，教师必须有所取舍。

在课程中的定位

在材料课程所列的完整教材中，本书最侧重设计。克里斯托弗·霍尔的 Materials: A Very Short Introduction 是一本以叙述方式概览整个领域的小书，不涉及繁琐的技术细节，可以在开始读本书之前用几个晚上读完。卡利斯特和雷思维什的 Materials Science and Engineering: An Introduction 覆盖的范围相近，但顺序相反：它从原子键合和晶体结构出发，逐步建立到性能，相图也在主线之中。觉得阿什比"性能优先"的方法对结构讲得太少的学生，可以把卡利斯特作为第3、8、11章和第四引导学习单元的配套读物。

学完第一门课程之后，波特、伊斯特林和谢里夫的 Phase Transformations in Metals and Alloys 会深化本书只在学习单元中处理的物理冶金内容；迈耶斯和乔拉的 Mechanical Behavior of Materials 则解释第4–8章在设计中所用的刚度、屈服、断裂和蠕变背后的机理。

如何使用本书

出版社将本书面向材料、机械、化学、土木和航空工程专业中修读第一门材料课程的本科生。具备中学水平的数学、物理和化学即可开始阅读。

实用的阅读计划：

• 核心顺序： 按顺序读第1–6章，它们介绍材料类别与性能、材料—工艺—设计之间的联系、微观组织基础，以及三章力学性能。读第3章时同步完成第一引导学习单元（晶体学）。
• 尽早培养选择能力： 读完第4章后值得做第二引导学习单元（材料选择）。用附录A中的数据练习选材，能让后面各章的设计内容有具体的落脚点。
• 课程后半段： 读第7–9章了解热、高温和表面行为，然后结合第三、第四引导学习单元读第11章，学习加工与相图。
• 选读部分： 需要功能性能的学生读第10章，含可持续性内容的课程读第12章。

每读完一个性能章节，检查自己能否举出一个受该性能限制的零件，并说明要改进它应改变材料的哪种特性。如果课程对晶体结构或相图考查较细，应把本书与卡利斯特配合使用。