第一章 前言
1.1 历史展望
材料在我们的文化中比我们认识到的还要根深蒂固。如交通、房子、衣物，通讯、娱乐和食物的生产，实际上，我们日常生活中的每一部分都或多或少地受到材料的影响。历史上,社会的发展及进步与那些能满足社会需要的材料的生产及操作能力密切相关。实际上，早期的文明就以材料的发展水平来命名，如石器时代，铜器时代。
早期人们能得到的只有一些很有限的天然材料，如石头、木材、粘土等。渐渐地，他们发现了用于生产优于自然材料的新材料的技术，这些新材料包括陶器和各类金属。进一步地，人们发现材料的性质可以通过热处理或加入其他物质来改变。 在这点上， 材料的应用完全是一个选择的过程。也就是说，在一系列非常有限的材料中，根据材料的优点选择一种最适合某种应用的材料。直到最近，科学家才终于了解材料的结构要素与其特性之间的关系。这种在过去的 60年左右获得的知识在很大程度上使得人们能够赋予材料特征。 因此， 成千上万的发展了独特性能的材料通过其特殊的性质得以发展来满足我们现代复杂的社会需要；这些材料包括：金属，塑料，玻璃和纤维。很多使我们生活舒适的技术的发展与适宜材料的获得密切相关。 对一类材料理解的提升通常是一种技术逐步进步的先兆。比如，没有便宜的钢制品或其他替代品就没有汽车。在现代，复杂的电子器件取决于所谓的半导体零件。
1.2 材料科学与工程
材料科学学科涉及研究材料的结构和性质之间的关系。相反，材料工程是根据材料的结构和性质的联系来设计或操纵材料的结构以求制造出一系列可预定的性质。本书将注意力集中在材料性质和结构元素的关系上。
“structure”一词是个需要被解释的模糊.术语。简单地说，材料的结构通常与其内在成分的排列有关。亚原子结构涉及单个原子内的电子以及原子核间的相互作用。在原子水平上，结构包括原子或分子与其他相关的原子或分子的组织。在更大的结构领域上， 其包括大的原子团，这些原子团通常聚集在一起，称为“微观”结构，意思是可以使用某种显微镜直接观察得到的结构。最后，结构单元可以通过肉眼看到的称为宏观结构。
“Property” 一词的概念值得详细阐述。在使用中，所有材料对外部的刺激都表现出某种反应。比如，一个试样受到力作用会引起形变，或者抛光金属表面会反射光。材料的特征取决于其对外部刺激的反应程度。通常，性质定义与其形状及大小无关。
实际上，所有固体材料的重要性质可以概括分为六类：机械、电学、热学、
磁学、光学和衰变。对于每一种性质，其都有一种对特定刺激引起反应的能力。机械性能与施加压力引起的形变有关， 包括弹性模量和强度。 对于电性能， 如电导率和介电系数， 特定的刺激物是电场。固体的热学行为则可用热容和热导率来表示。 磁学性质表示一种材料对施加的磁场的感应能力。对于光学性质，刺激物是电磁辐射或光辐射。用折射和反射来表示光学性质。最后，衰变性质表示材料的化学反应能力。后面章节讨论的性质均属于这六种分类。
除了结构和性质，材料科学和工程还有其他两个重要的组成部分，即加工和性能。如果考虑这四个要素的关系，材料的结构取决于其如何加工。另外，材料的使用性能与其性质的密切相关。因此，材料的加工、结构、性质和性能的关系可以用以下线性关系来表示：加工——结构——性质——性能。依据材料的设计 、生产及利用，本书将注意力集中在这四个要素间的关系。
现在，我们以图1.2（一张显示了放置在一些印刷品上的三个薄圆盘样品的照片）为例，展示加工——结构——性质——性能原理。这三种材料的光学性能（即透光率）明显不同；左边的一个是透明的（即所有的反射光都通过了它），然而，中间和右边的圆盘分别是半透明和不透明的。所有这些试样都是相同的氧化铝材料，但最左边的一个被我们成为单晶体，即结构高度完美，因此出现了它的透明现象。中间的一个是由大量细小单晶构成的，小晶体的边界散射了部分从打印页面发射来的光，使该材料在光学上呈半透明。最后，右边的试样不仅由细小的、相互教练的晶体组成，还含有大量的小孔或空隙。这些细孔有效的散射了发射光并导致该材料不透明。
因此，就影响透光率性能的晶界和气孔而言，这三个试样的结构是不同的。而且，每种材料有不同的加工技术制成。当然，如果透光率是与最终服役应用相关的重要参数，则每个材料的使用性能将会不同。
1.3为什么学习材料科学与工程？
为什么研究材料？许多应用科学家或工程师，不管他们是机械的、民用的、化学的或电子的领域的，都将在某个时候面临材料的设计问题。 如传动齿轮、 建筑的上层结构、油的精炼零件、 或集成电路芯片。 当然， 材料科学家和工程师是从事材料研究和设计的专家。
很多时候， 材料的问题就是从上千个可行的材料中选择出一个合适的材料。对材料的最终选择通常基于几个原则。首先，必须表征服役条件，因为这将决定材料所需要的性能。只有在少数情况下材料在具有最优或理想的综合性质。 因此， 有必要对材料的性质进行相互权衡。典型的例子是强度和延展性，通常，材料具有高强度但却具有低的延展性。在这种情况下，对这两种或各种的性质进行折中考虑很有必要。其次， 选择的原则是要考虑材料的性质在使用中的磨损
问题。 如材料的机械性能在高温或腐蚀环境中会下降。
其次，在选择材料时需要考虑的是材料性质在使用操作过程中发生的任何老化现象。例如，暴露在高温或腐蚀环境会导致材料的机械强敌明显下降。
最后，也许是最重要的原则是经济问题。 最终产品的成本是多少？一种材料也许有一系列理想的性质，但却十分昂贵。再次说明对材料性质的合理折中是必然的。一件成品的成本还包括为了生产出满意形状而产生的制作费用。工程师与科学家越熟悉材料的各种特性、结构、性质之间的关系以及材料的加工技术，根据以上的几个原则，他或她对材料的明智选择将越来越熟练和精确。
材料成型及控制工程专业英语翻译(William D. Callister,Jr)
