第1章 材料科学与工程综论
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是高新技术发展和社会现代化的先导。新材料的出现和使用往往会促使技术进步和新产业的形成，给人类生活、社会发展乃至国家安全带来重大影响。20世纪70年代，人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代，以高技术群为代表的新技术革命又把新材料、信息技术和生物技术并列为其重要标志。不断开发和有效使用材料的能力是衡量一个国家科学技术和工业水平、未来技术发展潜力的重要尺度和标志。
本章主要介绍材料及其分类、材料在人类社会进步和现代化进程中的作用、材料科学与工程学科的形成与内涵、材料的合理选择与正确使用等。
1.1 材料及其分类
材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。例如，燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物一般都不算是材料[1]。材料总是和一定的应用场合相联系，可由一种或若干种物质构成。同一种物质，由于制备方法或加工方法的不同，可成为用途迥异的不同类型和性质的材料。
材料除了具有重要性和普遍性，还具有多样性，分类方法也就没有统一的标准。依物理化学属性，材料通常分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和由不同类型材料所组成的复合材料，高等学校的材料类本科专业基本上按此划分(第2～5章分别介绍这些材料)。从应用行业上，材料可分为建筑材料、冶金材料、电子信息材料、生物医用材料、能源材料、汽车材料、超导材料、宇航材料、**材料等。本书从第6章开始，依用途分别介绍运载动力材料、半导体材料、磁性材料、超导材料、光学材料、智能材料、新能源材料等及其*新进展。常见的材料分类还有结构材料与功能材料、传统材料与新型材料。结构材料是以强度、塑性、韧性等力学性能为基础，用以制造受力构件所用的材料，其对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。功能材料则主要是利用物质*特的光、电、磁、声、热等物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料，如磁性材料、光学材料、催化材料、环境材料、生物材料等。一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如铁、铜、铝等。传统材料是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。这类材料用量大、产值高、涉及面广，是很多支柱产业的基础，又称为基础材料。新型材料(也称先进材料)是指那些具有优异性能和应用前景且正在发展的一类材料。新型材料与传统材料之间并没有明显的界限。传统材料通过采用新技术，提高技术含量和材料性能，大幅度提高附加值可以成为新型材料；新型材料发展成熟且在工业中批量生产并大量应用之后也就成了传统材料。传统材料是发展新型材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展[1]。
1.2 材料——人类社会进步的里程碑
众所周知，人类社会的发展分成若干阶段：100万年以前进入旧石器时代；1万年以前进入新石器时代；5000年以前进入青铜器时代；3000年以前进入铁器时代(我国始于公元前9～公元前8世纪的西周晚期)。显然，材料是人类社会进步的里程碑。
事实上，人类从猿人发展为现代人、有文字记载的文明人的历史，就是一部材料和技术的演变史。我国是一个文明古国，中华民族在材料的开发应用方面也谱写了世界史中的光辉篇章。丝绸之路闻名世界，至今为人称道，它就是把中华民族发现、发展的丝绸材料和制品推向世界的见证。相传5000年前黄帝时期便发明了养蚕造丝。比丝绸更早，在史前文化中便有了陶器的制作，并逐渐发展为世界闻名的中国瓷器文化。我国的青铜器文化也很有名，相传蚩尤就曾炼铜制剑。
从图1.l中可以看到人类人口增长、材料技术进步和人类文明发展之间的密切关系。人类从利用自然界的石块，经过炼铜、制铁，发展到制作合金材料、半导体材料和高分子材料等；技术上从直接用手到用骨、陶器、蒸汽机直至利用计算机；知识上从各种直观认识发展到自然科学和社会科学的各门学科[2]。
图1.1 人类、材料和技术的演变史
纵观人类发现材料和利用材料的历史，每一种重要材料的发现和广泛利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平，给社会生产力和人类生活水平带来巨大的变化，把人类的物质文明和精神文明向前推进一步[2， 3]。
早在100万年以前，人类开始用石头做工具，使人类进入旧石器时代。1万年以前，人类知道对石头进行加工，使之成为精致的器皿或工具，从而使人类进入新石器时代。在新石器时代，人类开始用皮毛遮身。8000年前中国就开始用蚕丝做衣服，4500年前古印度开始种植棉花，这些都标志着人类使用材料促进文明进步。
在8000～9000年前，人类还处于新石器时代，发明了用黏土成型，再火烧固化而形成的陶器(有考古学家证明陶器技术还略早于新石器时代)。历史上虽无陶器时代的名称，但其对人类文明的贡献不可估量[4， 5]。史学家认为陶器是人类文明史前*重大的发明创造之一。
陶器被誉为“土水火的文明结晶”，是人类在进化历程的早期，用自然界中已有的物质“水”调和自然界中已有的物质“土”，再以火烧相结合创造出来的自然界中没有的人工制品。经过火的焙烧，泥土发生陶化，改变了属性，可以盛水、烧水、煮饭、蒸饭。蒸煮食物时，水在常压下100℃是相变点，沸腾而保持恒温，食物的营养成分不但不被破坏，而且更易于消化吸收。人类的饮食习性由烧烤发展为蒸煮，由食肉为主发展为食草为主。这样，人类就不必为生存获得食物去打猎，去和那些体能比人类大得多的飞禽猛兽战斗，生存状况彻底改善。
人类学会用火制陶，是**次改变物质的自然属性的伟大尝试。制陶改变了人与自然的关系，催发了人类改造自然和利用自然的聪明才智，加快了人类走向文明的进程，并催发了此后的一系列发明创造。陶器可以盛装食物，由此促进了从采集到原始农业的发展；储存食物又使人们得以定居，建筑也开始出现，并有条件驯化动物，形成原始畜牧业；用火制陶开拓了冶炼领域，为此后青铜器时代、铁器时代开辟了道路；而且陶器帮助人们创造了食品发酵的滥觞，为发酵及酿酒的出现创造了条件等。古代华夏称为“礼仪之邦”，所谓“礼以酒成”，无酒不成礼。“礼(禮)”字的本义就是以“酒(醴)”举行的仪式。古代社交礼仪中伴有饮酒礼，所以有学者把肇始于龙山时代、兴盛于夏商时代的礼制概括为“酒礼”。有酒则必有酒器，酒器是礼仪制度的重要载体。黑陶和白陶质地高雅、尊贵，一般不做日用，而成为*初的礼器，也是青铜礼器的先驱。礼器是中华古代文明的重要标志，外观和质料*特的白陶礼器和黑陶礼器则是华夏礼制文明起源的*初物质表现。
用火使泥土陶化烧成陶器，必须烧够“火候”。低于陶化温度，泥土不能陶化，只能得到硬化土的泥器；保温时间不足，泥土不能完全陶化，得到的则是夹生陶。无论是公元前4800～公元前2900年仰韶文化的彩陶、公元前5000～公元前4000年河姆渡文化的黑陶，还是公元前4400～公元前3300年大溪文化的白陶和薄胎彩陶，都是完全陶化的质地非常好的陶器，既不是硬化土的泥器，也不是没有烧透的夹生陶。这说明在那个时代，我们的先民已经掌握了烧制陶器的两个基本技术要素。而这样的基本技术要素——温度和时间，一个属于热力学范畴，一个属于动力学范畴，到今天仍然是材料科学与工程中必不可少的两个基本技术要素。
史前时代*早的技术装备之一是由陶钧和陶窑复合成的制陶装备。陶钧和陶窑是人类*早突破手持工具的技术装备，使人类社会生产力实现飞跃。
陶窑由燃烧室(火膛)和加热室(窑室)两大部分组成，不仅妥善地解决了燃烧技术和加热技术问题，还可以合理调节火膛和窑室进气，得到氧化或还原性气氛，分别烧成红陶或灰陶。显然，陶窑烧制的火控技术已经达到炉火纯青的地步。
为了获得不同性能的陶器，人们发明了先进、科学、合理的“料土”配制和预处理技术。例如，制造钵、釜、鼎、鬲等炊煮陶器，要求陶器能经受火的反复炙烧而不炸不裂，则在泥土中掺入砂粒配制成夹砂陶；为了控制泥坯的变形或皴裂而加进不同比例的其他羼料；追求造型细致美观，兼有摆设作用的装盛类容器，则采用淘洗对泥土进行纯净化预处理 通过陶土成分配比调控陶器性能，不仅为青铜等金属材料冶炼、掌握“金有六齐”的生产技能和理性知识奠定了基础，也是现代材料学的核心内容。
显然，现代世界的科学技术很多都是从陶器这*“土”、*“简陋”的原始发明起源的。陶器技术是冶金技术里火控技术、造型技术、铸造技术的基础。陶器的制作方法、装备为青铜器制作奠定了技术基础。事实上，青铜器正是采用“陶范”铸造出来的。绝大多数青铜器的原型是陶器，或由陶器形制发展而来。
在烧制陶器过程中，人们偶然发现金属铜和锡，尽管当时还不明白这是铜、锡的氧化物在高温下被炭还原的产物。继而发展出色泽鲜艳、能浇铸成型的锡青铜合金，使人类进入青铜器时代。这是人类大量利用金属材料的开始，也是人类文明发展的重要里程碑。世界各地开始青铜器时代的时间各不相同，古希腊在公元前3000年前，古埃及在公元前2500年前，古巴比伦在公元前19世纪中叶，古印度大约在公元前3000年已广泛使用青铜器。我国在公元前2700年已经使用青铜器了，至今约5000年的历史，历经夏、商、西周、春秋、战国，大约发展了15个世纪，贯穿了我国的奴隶社会。青铜器时代历时之长，由原始社会发展到奴隶社会，对生产力发展起到了重大的作用。到商周(公元前17～公元前3世纪)进入了鼎盛时期，如出土的河南安阳重达875kg的鼎、湖北隋县的编钟、陕西西安的青铜车马等都充分反映了当时我国高超的青铜器冶金技艺。
公元前13～公元前14世纪，人类已开始用铁，3000年前铁工具比青铜工具更为普遍，人类开始进入铁器时代。钢铁材料的生产和使用是人类文明和社会进步的一个重要标志。铁器的推广与使用是古代历史上的一件大事。铁作为耕器使用，提高了农业的生产力，促进了井田制的崩溃，从而加速了奴隶制的崩溃，对当时的社会经济具有重要的意义。中国*早出土的人工冶铁制品约在公元前9世纪。
值得一提的是，我国是世界上*早发明并使用生铁的国家，始于公元前8世纪，到春秋(公元前770～公元前476年)末期，生铁技术有较大突破，遥遥领先于世界其他地区。而欧洲工业国家在文艺复兴时才掌握了生铁冶炼技术，比我国晚了2000多年。我国钢铁技术发展的特点与其他各国不同。世界上长期采用固态还原的块炼铁和固体渗碳钢，而我国铸铁和生铁炼钢一直是主要方法。从块炼铁到生铁是冶铁技术史上的巨大飞跃。
生铁冶炼的实现得益于鼓风方法的革新。通过多设送风管和四面八方鼓风来强化鼓风效果，鼓风设备也从人力鼓风发展到畜力鼓风和水力鼓风(水排)。《吴越春秋?阖闾内传》上说，吴王阖闾铸造“干将”“莫邪”两把宝剑时，曾使用“童男童女三百人鼓橐装炭”，“金铁乃濡，遂以成剑”。据《中华百科要览》记载：中国是*早用煤炼铁的国家，汉朝时已经试用，宋朝、元朝时期已普及，到明朝(1368～1644年)已能用焦炭冶炼生铁。14～15世纪，铁的产量曾超过2000万斤。西方*先开始工业革命的英国约晚两个世纪才达到这个水平[6]。
我国在西汉早期已发明并使用了生铁炼钢技术——炒钢技术。炒钢是两步法炼钢的开始，是具有划时代意义的重大事件。18世纪中叶，英国发明了炒钢法，在产业革命中发挥了很大作用。马克思怀着极大热情给予其很高的评价，曾称不管怎样赞许也不会夸大这一革新的重要意义。
由于铸铁和生铁炼钢法的发明和发展，我国的冶金技术在明朝中叶以前一直居于****水平，受到各国普遍赞扬。公元1世纪时，古罗马博物学家普林尼在其名著《自然史》中说：“虽然铁的种类很多，但没有一种能和中国来的钢相媲美”[7]。我国钢铁年产量在唐朝已达到1200t，宋朝为4700t，明朝*多达到4万t。在13世纪，我国是世界上*大的钢铁生产国和消费国，直到18世纪中叶工业革命之前，中国钢铁工业的生产规
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