Materials Science and Engineering: An Introduction（材料科学与工程导论）

引用

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

章节概要

第十版约990页，共22章，其后依次是按章编排的思考题与习题部分、八个附录（A–H）、术语表、部分习题答案和索引。每章开头列出学习目标，结尾有小结、公式小结、符号表、重要术语与概念以及参考文献。正文中穿插着“重要材料”（Materials of Importance）专栏和若干案例研究（例如自由轮船体断裂、碳酸饮料容器和波音787）。出版社称本书围绕三大类材料（金属、陶瓷和聚合物）以及复合材料展开，并以结构要素与性能之间的关系为主线。

第1章：引言

开篇章节介绍历史背景，区分材料科学与材料工程，并从选材角度说明为什么要学习材料：服役条件、使用中的性能退化以及成本。本章的核心思想是加工、结构、性能与使用表现之间的联系，用三片透明度不同的氧化铝圆片加以说明；脚注又把这一框架扩展到再利用与可回收性。本章还把材料分为金属、陶瓷、聚合物、复合材料和先进材料，并预告了六类性能（力学、电学、热学、磁学、光学和劣化性能）。

第2–4章：原子结构与原子间键合；晶体固体的结构；固体中的缺陷

这几章建立结构方面的基本词汇。第2章讲原子中的电子、元素周期表以及一次键和二次键。第3章讲晶胞、金属晶体结构、密度计算、晶系、晶体学中的点、方向和晶面、密排结构、各向异性、X射线衍射以及非晶固体。第4章讲点缺陷、杂质与成分、位错、界面缺陷和体缺陷，以及显微观察与晶粒度测定。

第5章：扩散

扩散机制、菲克第一和第二定律、影响扩散的因素以及半导体材料中的扩散，并有一个关于集成电路铝互连线的专栏。

第6–8章：金属的力学性能；位错与强化机制；失效

第6章介绍应力与应变、弹性变形与塑性变形、拉伸性能、真应力与真应变、硬度，以及性能的离散性与设计安全系数。第7章回到位错与滑移系，再讨论金属的强化方式（细化晶粒、固溶强化、应变硬化）和软化方式（回复、再结晶、晶粒长大）。第8章涵盖断裂与断裂力学、疲劳（S–N曲线、裂纹萌生与扩展）以及蠕变。

第9–11章：相图；相变：显微组织的形成与力学性能的改变；金属合金的应用与加工

第9章从定义和单元相图出发，进入二元匀晶和共晶系统、吉布斯相律以及铁–渗碳体相图。第10章讨论相变动力学、等温转变图和连续冷却转变图，以及铁碳合金的力学行为，包括回火马氏体。第11章转向黑色金属与有色金属合金、成形、铸造、3D打印、退火、钢的热处理和沉淀硬化。

第12–13章：陶瓷的结构与性能；陶瓷的应用与加工

第12章讲陶瓷的晶体结构、硅酸盐、碳、缺陷、陶瓷相图和力学行为，包括脆性断裂。第13章讲玻璃、黏土制品、耐火材料、磨料、水泥、先进陶瓷及其制造，包括粉末压制、流延成型和3D打印。

第14–15章：聚合物的结构；聚合物的特性、应用与加工

第14章描述烃类分子和聚合物分子、分子量、分子形状与结构、热塑性与热固性聚合物、共聚物和结晶度。第15章讲力学行为（包括黏弹性）、熔融与玻璃化转变、聚合物类型与应用、聚合反应、添加剂和成形技术。

第16章：复合材料

颗粒增强与纤维增强复合材料，聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料，结构复合材料以及纳米复合材料。

第17章：材料的腐蚀与降解

电化学基础、腐蚀速率及其预测、钝化、腐蚀的各种形式与防护、氧化，以及陶瓷和聚合物的降解。

第18–21章：电学性能；热学性能；磁学性能；光学性能

第18章由导电性和能带结构讲起，经过半导体、霍尔效应和器件，一直讲到介电行为。第19至21章依次讨论热容、热膨胀与热导率；磁性与超导；以及光与固体的相互作用、发光、激光和光纤。

第22章：材料科学与工程中的环境与社会问题

篇幅较短的收尾章节，讨论环境与社会因素和回收问题，并有一个关于可生物降解和生物可再生聚合物的专栏。

核心概念

第1–5章：基础

• 加工—结构—性能—使用表现：材料学科的核心框架，在第1章提出，此后贯穿全书。
• 晶体结构与缺陷：晶胞、晶体学方向与晶面，以及偏离理想晶体的点缺陷、线缺陷、界面缺陷和体缺陷。
• 扩散：由菲克定律描述的原子迁移。

第6–11章：金属

• 应力—应变行为：弹性变形与塑性变形，以及设计安全系数。
• 位错与强化：滑移、细晶强化、固溶强化和应变硬化机制。
• 失效：断裂、疲劳和蠕变。
• 相图与相变：平衡相，以及铁碳合金中形成显微组织的动力学过程。

第12–17章：其他材料类别与降解

• 陶瓷和聚合物的结构—性能关系：结构、力学行为与加工分别在成对的章节中讲述。
• 复合材料：颗粒型、纤维型和结构型。
• 腐蚀：电化学反应与各种腐蚀形式。

第18–22章：功能性能与可持续性

• 电子导电与半导体：能带结构、载流子和器件。
• 热、磁、光响应：第1章介绍过的其余几类性能。
• 回收：最后一章对材料再利用的讨论。

评析

优点

• 一套框架贯穿所有材料类别。 金属、陶瓷和聚合物各有成对的章节（先讲结构与性能，再讲应用与加工），最后的性能章节也遵循第1章确立的框架，读者可以在同一尺度上比较各类材料。
• 每章都有学习辅助。 目录中为每章列出了学习目标、小结、公式小结、符号表和术语表；第1章的节选还交叉引用后文各节（例如从自由轮案例研究指向第8章的断裂各节）。
• 参考数据表。 附录收录常用工程材料的性能（密度、模量、强度与延性、断裂韧性、热膨胀与热导率、比热容、电阻率）、成本与相对成本、聚合物重复单元，以及玻璃化转变和熔融温度，可用于选材练习。
• 较新的主题。 Wiley列出的本版新增或更新内容有：材料范式与选材图、3D打印与增材制造、生物材料、回收和霍尔效应；目录显示金属、陶瓷和聚合物各章中都有3D打印的小节。

局限

• 篇幅。 全书约990页，超过一门课所能覆盖的范围；第16–21章以及第11–15章的部分内容通常是选读而非全读。
• 广度重于深度。 本身就有专著的主题只用一章处理：例如相变只占第10章，约四十五页。
• 可持续性内容集中。 环境与社会问题主要集中在约十二页的最后一章，另有第1章的一条脚注。
• 习题与章节分离。 思考题与习题集中放在第22章之后，学生需要翻到书后才能做题。

在课程中的定位

本书是材料科学书单中的通用入门教材。Christopher Hall 的 Materials: A Very Short Introduction 是对同样三大材料家族的简短、不涉及数学的概览，可以先读。Ashby、Shercliff 和 Cebon 的 Introduction to Materials Science and Engineering: A Design-Led Approach 同样是入门课教材，从工程师需要材料做什么出发，适合愿意先从选材与设计入手的读者；Callister 和 Rethwisch 则从原子与结构起步，逐层向上。

另有两本书在某一方向上比 Callister 和 Rethwisch 走得更远。Meyers 和 Chawla 的 Mechanical Behavior of Materials 对第6–8章和第15章背后的机制讲得更深；Porter、Easterling 和 Sherif 的 Phase Transformations in Metals and Alloys 是第9–10章的延伸。本站还收录了同一本书的较早版本（第八版）；两者共用同样的22章框架，但本第十版包含上面提到的新增内容。

如何使用本书

本书面向修读第一门材料课的各专业工程学生。第2章从原子中的电子和元素周期表讲起，因此不需要先修材料课；普通化学有助于理解键合和聚合物章节，普通物理有助于学习电、热、磁、光各章。

一学期课程的实用安排：

• 核心： 第1–9章按顺序阅读；需要了解热处理的读者再读第10章和第11章中关于钢的部分。
• 按专业取舍： 陶瓷与聚合物读第12–15章；腐蚀读第17章；第18–21章视专业偏重电、热、磁还是光而定。
• 选材练习： 结合性能表和成本附录，以及第1章的选材准则（服役条件、性能退化、成本），为一个简单部件比较几种候选材料。
• 学习方法： 先读学习目标，做书后各章的思考题和习题，并用部分习题答案核对。