Materials Science and Engineering: An Introduction（材料科學與工程導論）

引用

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

章節概要

第十版約990頁，共22章，其後依次是按章編排的思考題與習題部分、八個附錄（A–H）、詞彙表、部分習題答案和索引。每章開頭列出學習目標，結尾有小結、公式小結、符號表、重要術語與概念以及參考文獻。正文中穿插著「重要材料」（Materials of Importance）專欄和若干案例研究（例如自由輪船體斷裂、碳酸飲料容器和波音787）。出版社稱本書圍繞三大類材料（金屬、陶瓷和聚合物）以及複合材料展開，並以結構要素與性能之間的關係為主線。

第1章：引言

開篇章節介紹歷史背景，區分材料科學與材料工程，並從選材角度說明為什麼要學習材料：服役條件、使用中的性能退化以及成本。本章的核心思想是加工、結構、性能與使用表現之間的聯絡，用三片透明度不同的氧化鋁圓片加以說明；腳註又把這一框架擴充套件到再利用與可回收性。本章還把材料分為金屬、陶瓷、聚合物、複合材料和先進材料，並預告了六類性能（力學、電學、熱學、磁學、光學和劣化性能）。

第2–4章：原子結構與原子間鍵結；晶體固體的結構；固體中的缺陷

這幾章建立結構方面的基本詞彙。第2章講原子中的電子、元素週期表以及一次鍵和二次鍵。第3章講晶胞、金屬晶體結構、密度計算、晶系、晶體學中的點、方向和晶面、密排結構、各向異性、X射線衍射以及非晶固體。第4章講點缺陷、雜質與成分、差排、介面缺陷和體缺陷，以及顯微觀察與晶粒度測定。

第5章：擴散

擴散機制、菲克第一和第二定律、影響擴散的因素以及半導體材料中的擴散，並有一個關於積體電路鋁互連線的專欄。

第6–8章：金屬的力學性能；差排與強化機制；失效

第6章介紹應力與應變、彈性變形與塑性變形、拉伸性能、真應力與真應變、硬度，以及性能的離散性與設計安全係數。第7章回到差排與滑移系統，再討論金屬的強化方式（細化晶粒、固溶強化、應變硬化）和軟化方式（回覆、再結晶、晶粒長大）。第8章涵蓋斷裂與斷裂力學、疲勞（S–N曲線、裂紋萌生與擴充套件）以及潛變。

第9–11章：相圖；相變：顯微組織的形成與力學性能的改變；金屬合金的應用與加工

第9章從定義和單元相圖出發，進入二元勻晶和共晶系統、吉布斯相律以及鐵–碳化鐵相圖。第10章討論相變動力學、等溫轉變圖和連續冷卻轉變圖，以及鐵碳合金的力學行為，包括回火麻田散鐵。第11章轉向黑色金屬與有色金屬合金、成形、鑄造、3D列印、退火、鋼的熱處理和析出硬化。

第12–13章：陶瓷的結構與性能；陶瓷的應用與加工

第12章講陶瓷的晶體結構、矽酸鹽、碳、缺陷、陶瓷相圖和力學行為，包括脆性斷裂。第13章講玻璃、黏土製品、耐火材料、磨料、水泥、先進陶瓷及其製造，包括粉末壓制、流延成型和3D列印。

第14–15章：聚合物的結構；聚合物的特性、應用與加工

第14章描述烴類分子和聚合物分子、分子量、分子形狀與結構、熱塑性與熱固性聚合物、共聚物和結晶度。第15章講力學行為（包括黏彈性）、熔融與玻璃化轉變、聚合物型別與應用、聚合反應、新增劑和成形技術。

第16章：複合材料

顆粒增強與纖維增強複合材料，聚合物基、金屬基和陶瓷基複合材料，結構複合材料以及奈米複合材料。

第17章：材料的腐蝕與降解

電化學基礎、腐蝕速率及其預測、鈍化、腐蝕的各種形式與防護、氧化，以及陶瓷和聚合物的降解。

第18–21章：電學性能；熱學性能；磁學性能；光學性能

第18章由導電性和能帶結構講起，經過半導體、霍爾效應和器件，一直講到介電行為。第19至21章依次討論熱容、熱膨脹與熱導率；磁性與超導；以及光與固體的相互作用、發光、雷射和光纖。

第22章：材料科學與工程中的環境與社會問題

篇幅較短的收尾章節，討論環境與社會因素和回收問題，並有一個關於可生物降解和生物可再生聚合物的專欄。

核心概念

第1–5章：基礎

• 加工—結構—性能—使用表現：材料學科的核心框架，在第1章提出，此後貫穿全書。
• 晶體結構與缺陷：晶胞、晶體學方向與晶面，以及偏離理想晶體的點缺陷、線缺陷、介面缺陷和體缺陷。
• 擴散：由菲克定律描述的原子遷移。

第6–11章：金屬

• 應力—應變行為：彈性變形與塑性變形，以及設計安全係數。
• 差排與強化：滑移、細晶強化、固溶強化和應變硬化機制。
• 失效：斷裂、疲勞和潛變。
• 相圖與相變：平衡相，以及鐵碳合金中形成顯微組織的動力學過程。

第12–17章：其他材料類別與降解

• 陶瓷和聚合物的結構—性能關係：結構、力學行為與加工分別在成對的章節中講述。
• 複合材料：顆粒型、纖維型和結構型。
• 腐蝕：電化學反應與各種腐蝕形式。

第18–22章：功能性能與可持續性

• 電子導電與半導體：能帶結構、載流子和器件。
• 熱、磁、光響應：第1章介紹過的其餘幾類性能。
• 回收：最後一章對材料再利用的討論。

評析

優點

• 一套框架貫穿所有材料類別。 金屬、陶瓷和聚合物各有成對的章節（先講結構與性能，再講應用與加工），最後的性能章節也遵循第1章確立的框架，讀者可以在同一尺度上比較各類材料。
• 每章都有學習輔助。 目錄中為每章列出了學習目標、小結、公式小結、符號表和詞彙表；第1章的節選還交叉引用後文各節（例如從自由輪案例研究指向第8章的斷裂各節）。
• 參考資料表。 附錄收錄常用工程材料的性能（密度、模量、強度與延性、斷裂韌性、熱膨脹與熱導率、比熱容、電阻率）、成本與相對成本、聚合物重複單元，以及玻璃化轉變和熔融溫度，可用於選材練習。
• 較新的主題。 Wiley列出的本版新增或更新內容有：材料範式與選材圖、3D列印與積層製造、生物材料、回收和霍爾效應；目錄顯示金屬、陶瓷和聚合物各章中都有3D列印的小節。

侷限

• 篇幅。 全書約990頁，超過一門課所能覆蓋的範圍；第16–21章以及第11–15章的部分內容通常是選讀而非全讀。
• 廣度重於深度。 本身就有專著的主題只用一章處理：例如相變只佔第10章，約四十五頁。
• 可持續性內容集中。 環境與社會問題主要集中在約十二頁的最後一章，另有第1章的一條腳註。
• 習題與章節分離。 思考題與習題集中放在第22章之後，學生需要翻到書後才能做題。

在課程中的定位

本書是材料科學書單中的通用入門教材。Christopher Hall 的 Materials: A Very Short Introduction 是對同樣三大材料家族的簡短、不涉及數學的概覽，可以先讀。Ashby、Shercliff 和 Cebon 的 Introduction to Materials Science and Engineering: A Design-Led Approach 同樣是入門課教材，從工程師需要材料做什麼出發，適合願意先從選材與設計入手的讀者；Callister 和 Rethwisch 則從原子與結構起步，逐層向上。

另有兩本書在某一方向上比 Callister 和 Rethwisch 走得更遠。Meyers 和 Chawla 的 Mechanical Behavior of Materials 對第6–8章和第15章背後的機制講得更深；Porter、Easterling 和 Sherif 的 Phase Transformations in Metals and Alloys 是第9–10章的延伸。本站還收錄了同一本書的較早版本（第八版）；兩者共用同樣的22章框架，但本第十版包含上面提到的新增內容。

如何使用本書

本書面向修讀第一門材料課的各專業工程學生。第2章從原子中的電子和元素週期表講起，因此不需要先修材料課；普通化學有助於理解鍵結和聚合物章節，普通物理有助於學習電、熱、磁、光各章。

一學期課程的實用安排：

• 核心： 第1–9章按順序閱讀；需要了解熱處理的讀者再讀第10章和第11章中關於鋼的部分。
• 按專業取捨： 陶瓷與聚合物讀第12–15章；腐蝕讀第17章；第18–21章視專業偏重電、熱、磁還是光而定。
• 選材練習： 結合性能表和成本附錄，以及第1章的選材準則（服役條件、性能退化、成本），為一個簡單部件比較幾種候選材料。
• 學習方法： 先讀學習目標，做書後各章的思考題和習題，並用部分習題答案核對。