Introduction to Materials Science and Engineering: A Design-Led Approach（材料科學與工程導論：設計導向的方法）

引用

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

章節概要

全書約700頁，包括十二章、四個處理需要更多練習之主題的「引導學習單元」（Guided Learning Units），以及一個材料性質資料附錄。出版社將本書的方法稱為「設計主導」：先透過案例研究分析性質、將性質與設計需求相配合，再講解每種性質背後的科學。章名反映了這種安排：每種機械性質都與它所限制的那一類應用配對出現。

第1章：導論——材料的歷史、分類與性質

開篇一章把材料放在歷史脈絡中，將材料分門別類，並介紹工程師比較材料時所用的性質。

第2章：材料、製程與設計

本章提出貫穿全書的關聯：設計需要具有合適性質的材料，而這些性質取決於材料的加工方式。

第3章：材料性質與微結構——概述與原子尺度基礎

科學內容從這裡開始：概述性質如何源自微結構與原子尺度的結構。第一個引導學習單元（晶體學）是本章的延伸。

第4–6章：彈性剛性與剛性受限的應用；塑性、降伏、延性與強度受限的應用；破壞、疲勞與破壞受限的應用

全書的力學核心。每章討論一類性質（彈性剛性；降伏、塑性與延性；破壞與疲勞），並與受該性質限制的設計配對：不能變形過大的零件、不能降伏的零件、不能斷裂的零件。

第7–8章：材料與熱——熱性質；高溫下的材料——擴散與潛變

兩章討論溫度：先講材料的熱性質，再講材料在高溫下使用時的情形，此時擴散與緩慢的潛變變形決定性能。

第9章：表面——摩擦、磨耗、氧化、腐蝕

本章討論發生在表面的現象：力學方面的摩擦與磨耗，化學方面的氧化與腐蝕。

第10章：功能性質——電、磁、光

討論非機械性質的唯一一章，涵蓋電學、磁學與光學行為。

第11章：製造程序與微結構演變

本章回到加工，把製造視為決定微結構、進而決定性質的階段。第三、第四引導學習單元（製程選擇；相圖與相變態）為本章提供支撐。

第12章：材料、環境與永續性

全書以材料使用的環境問題與永續性作結。

引導學習單元1–4與附錄A

四個單元分別是「晶體學的簡單概念」「設計中的材料選擇」「設計中的製程選擇」與「相圖與相變態」。出版社稱它們是在正文之外另行展開的主題。附錄A彙整了材料性質資料。

核心概念

第1–3章：材料、設計與微結構

• 材料類別：將工程材料劃分為各具典型性質範圍的若干族。
• 材料—製程—設計三角：設計需求、材料選擇與加工路線必須一併決定的觀點。
• 微結構：材料在原子尺度以上的內部結構，它把原子尺度的鍵結與可量測的性質連結起來。

第4–6章：機械性質

• 剛性受限設計：設計那些由彈性模數與形狀決定的負載撓度必須控制在限度內的零件。
• 降伏與延性：永久變形的開始，以及失效前能發生變形的能力；它們支配強度受限的應用。
• 破壞與疲勞：在單次負載或反覆負載下因裂紋成長而導致的失效。

第7–10章：熱、表面與功能性質

• 潛變：高溫下由擴散控制、隨時間緩慢發展的變形。
• 腐蝕與氧化：環境對材料表面的化學侵蝕。
• 功能性質：有別於機械性能的電學、磁學與光學行為。

第11–12章與引導學習單元

• 加工與微結構演變：製造步驟如何改變微結構，從而改變性質。
• 相圖：表示合金平衡相隨成分與溫度變化的圖。
• 材料與製程選擇：依據設計需求在候選材料與製程之間進行系統性的選擇。

評析

優點

• 設計問題優先。 出版社說明，本書先透過真實案例研究把性質與設計相配合，再探討其科學根源。章名始終反映這一安排，第4–6章尤其明顯：每種性質都與它所限制的應用並列出現。本書設定的讀者是更在意材料用途、而非晶體學的學生。
• 重視圖像表達。 與艾希比的其他教科書一樣，本書大量倚重材料性質圖與示意圖；出版社表示，這些圖用來說明性質從何而來、如何改變以及受什麼限制。
• 數學要求低。 出版社表示，本書只要求第一門材料課程所需的最少數學，適合多個工程學系學生共同修習的大一課程。
• 可獨立使用的練習單元。 晶體學、選擇方法與相圖被放在引導學習單元中，而不在正文各章裡。教師可以在合適的時間安排它們，需要在某個主題上多加練習的學生也知道該去哪裡找。教師可取得解答手冊與圖庫。

局限

• 科學內容重廣度而非深度。 原子尺度的基礎只佔一個概述章，電、磁、光性質共用一章。材料或電機系的學生在這些主題上需要另一本以科學為主軸的教科書。
• 相變態不在主線中。 相圖只以引導學習單元的形式出現，因此以合金微結構為核心的課程必須刻意把這個單元提前。
• 作為第一門課的教材偏長。 全書約700頁，內容超過大多數一學期課程所能涵蓋的份量，教師必須有所取捨。

在課程中的定位

在材料課程所列的完整教科書中，本書最側重設計。克里斯多福·霍爾的 Materials: A Very Short Introduction 是一本以敘事方式概覽整個領域的小書，不涉及繁瑣的技術細節，可以在開始讀本書之前用幾個晚上讀完。卡利斯特與雷思維什的 Materials Science and Engineering: An Introduction 涵蓋的範圍相近，但順序相反：它從原子鍵結與晶體結構出發，逐步建立到性質，相圖也在主線之中。覺得艾希比「性質優先」的方法對結構著墨太少的學生，可以把卡利斯特當作第3、8、11章與第四引導學習單元的搭配讀物。

修完第一門課之後，波特、伊斯特林與謝里夫的 Phase Transformations in Metals and Alloys 會深化本書只在學習單元中處理的物理冶金內容；邁耶斯與喬拉的 Mechanical Behavior of Materials 則解釋第4–8章在設計中所用的剛性、降伏、破壞與潛變背後的機制。

如何使用本書

出版社將本書設定給材料、機械、化工、土木與航太工程學系中修習第一門材料課程的大學部學生。具備高中程度的數學、物理與化學即可開始閱讀。

實用的閱讀計畫：

• 核心順序： 依序讀第1–6章，它們介紹材料類別與性質、材料—製程—設計之間的關聯、微結構基礎，以及三章機械性質。讀第3章時同步完成第一引導學習單元（晶體學）。
• 及早培養選擇能力： 讀完第4章後值得做第二引導學習單元（材料選擇）。用附錄A的資料練習選材，能讓後面各章的設計內容有具體的著力點。
• 課程後半段： 讀第7–9章了解熱、高溫與表面行為，然後搭配第三、第四引導學習單元讀第11章，學習加工與相圖。
• 選讀部分： 需要功能性質的學生讀第10章，含永續性內容的課程讀第12章。

每讀完一個性質章節，檢查自己能否舉出一個受該性質限制的零件，並說明要改善它應改變材料的哪種特性。如果課程對晶體結構或相圖要求較細，應把本書與卡利斯特搭配使用。