第1章材料科學發展史001 1.1物質與材料002 1.1.1自然素和物質002 1.1.2材料的作用與分類003 1.2材料發展史006 1.2.1材料古代發展史006 1.2.2材料近代發展史008 1.3當代材料發展和展望010 1.3.1材料發展的歷程和趨勢010 1.3.2多種材料共存011 1.4材料科學與工程的形成012 1.4.1材料學科的細分到綜合012 1.4.2材料學科的交叉和滲透014 1.4.3材料科學與工程學科的形成與內涵016 1.4.4材料科學與工程學科的地位和特點020 第2章材料的共性規律與共同效應025 2.1材料的共性規律026 2.1.1晶體結構規律026 2.1.2材料缺陷與斷裂強度027 2.1.3材料的相變原理028 2.1.4材料的形變與斷裂規律029 2.1.5材料的強韌化原理032 2.2材料的共同效應033 2.2.1材料的界面效應033 2.2.2材料的表面效應034 2.2.3材料的復合效應035 2.2.4材料的形狀記憶效應035 2.2.5材料的動態效應036 2.2.6材料的環境效應037 2.2.7材料的納米效應037 第3章材料研究基本方法039 3.1科學技術研究的類型與選題040 3.1.1科學技術研究的基本類型040 3.1.2科學研究選題與創新041 3.2科學研究共性方法044 3.2.1歸納與演繹法044 3.2.2分析與綜合法047 3.2.3類比與移植法049 3.2.4數學與模型法053 3.2.5繫統與優化法055 3.2.6假說與理論法058 3.2.7原型啟發與仿生法060 3.3材料科學與工程核心方法論061 3.3.1以新材料開發為例062 3.3.2以失效分析為例063 3.3.3以選材和工藝制定為例064 第4章材料結構設計與繫統分析065 4.1材料結構與性能的基本特性066 4.1.1材料結構的基本特性066 4.1.2材料性能的基本特性068 4.2結構穩定性與設計071 4.2.1材料結構的穩定性071 4.2.2材料結構的測定與表征072 4.2.3材料結構的設計與控制073 4.3結構與性能的繫統分析075 4.3.1黑箱法075 4.3.2相關法076 4.3.3過程法076 4.3.4環境法076 4.4材料結構的自組織與仿生077 4.4.1材料的耗散結構077 4.4.2材料結構的自組織現像078 4.4.3智能結構與屬性評定079 4.4.4材料結構的仿生081 4.5材料過程能量分析法088 4.5.1材料過程的基本原理089 4.5.2材料過程的能量分析方法090 第5章材料使用與環境評價方法097 5.1材料與環境、資源的關繫098 5.1.1材料生產對環境和資源的影響098 5.1.2生態材料與能源材料098 5.2材料環境協調性評價與設計101 5.2.1材料環境協調性評價101 5.2.2材料環境協調性設計106 5.3材料環境適應性評估113 5.3.1材料工況環境適應性評估113 5.3.2材料自然環境適應性評估115 第6章材料（計算）設計與方法119 6.1材料（計算）設計概述120 6.1.1材料設計發展的歷史120 6.1.2材料設計範圍與層次122 6.1.3材料設計的任務124 6.2材料設計的主要途徑與方法125 6.2.1從相圖角度進行設計125 6.2.2從數量冶金學角度進行設計126 6.2.3基於量子理論的設計127 6.2.4基於物理、數值模擬的設計128 6.2.5多尺度材料模型與計算設計128 6.2.6材料（計算）設計的主要技術129 6.3數學方法在計算設計中的應用130 6.3.法131 6.3.2遺傳算法132 6.3.3分形理論135 6.3.4其他方法138 6.4材料計算設計實例139 6.4.1復合材料計算設計139 6.4.2超硬材料計算設計145 6.4.3工程應用層次的材料計算設計148 第7章材料研究的模型化與模擬151 7.1材料研究的模型化152 7.1.1模型化的基本概念152 7.1.2數值模型化與模擬154 7.1.3模型的基本範疇與分類154 7.1.4模型化的基本思路156 7.2材料研究的物理模擬158 7.2.1物理模擬基本概念158 7.2.2金屬塑性加工物理模擬160 7.2.3薄板衝壓工藝模擬技術161 7.2.4塑料注射成型過程模擬仿真162 7.3材料研究的數值模擬164 7.3.1鑄造工藝過程的數值模擬164 7.3.2計算機數值模擬應用的實例168 第8章材料失效分析方法171 8.1材料失效分析基本概念172 8.1.1失效分析的意義172 8.1.2失效分析和失效學172 8.1.3機械失效形式和產生的原因173 8.1.4材料的失效形式174 8.2失效分析的基本思路176 8.2.1以失效抗力為主線的分析思路177 8.2.2失效樹分析法178 8.2.3特性因素圖分析法178 8.3失效分析的基本方法180 8.3.1化學成分分析180 8.3.2力學性能的測試及分析181 8.3.3顯微組織分析182 8.3.4應力分析183 8.3.5無損檢測技術184 8.3.6斷口分析185 8.3.7裂紋分析190 8.3.8腐蝕、磨損和環境分析192 8.4失效分析的基本程序和實施步驟194 第9章材料經濟學197 9.1概念198 9.2材料的循環200 9.2.1生態材料200 9.2.2再生材料201 9.2.3綠色材料技術203 9.3材料的選用與競爭205 9.3.1材料選用的基本原則205 9.3.2各類材料的競爭207 9.3.3材料競爭的國際化213 9.4材料的經濟分析214 9.4.1材料經濟分析方法214 9.4.2材料經濟的能源與環境因素217 9.4.3材料經濟的潛在效益218 結束語：材料科學與工程的發展趨勢219 習題220 拓展題221 參考文獻222

在材料大類的學生剛剛進入專業課程學習的時候，應該有一門課來做專門的引導和介紹，告訴學生什麼是材料科學與工程以及該學科的核心方法論是什麼，這樣將會讓學生們在後續的專業課程學習中更加順暢。正是基於這樣的目的，我們編寫了這本《材料科學研究方法》並開設了相應的課程。 在近些年的教學實踐之中，我們遇到的困難在於學生總是“隻見樹木，不見森林”，難以對材料學科有一個高度概括、提綱挈領的認識。在反思中，我們有了一些新的想法，其中主要的就是思考材料學科的核心方法論是什麼？什麼是材料學科的核心要素？什麼是材料學科區別於其他學科的顯著特征？如果能夠回答這些問題，那麼學生對材料學科的把握就會更加精準，認識就會更加深刻，面對紛繁復雜的材料纔能夠清晰地理出頭緒，從而在廣闊的材料學科天地裡自由翱翔。 這些問題看起來似乎很難回答，但是M.C.Flemings早在1989年就已經給出了答案，他繫統提出了材料科學與工程四面體的概念。於是在寫作與教學的基礎之上，再結合很多材料學科發展史上的重要文獻，我們逐漸把材料科學四面體作為解答以上問題的重中之重，並決定在本書中，強調這一部分的內容。 這本書沒有過多地體現材料科學研究的細節，而是更多地從方法的角度去闡述，因為當今材料研究是國際上熱的研究領域，創新成果不斷湧現，如果要以實例為重點，不但內容容易過時，學生也難以撥雲見日。“授人以魚，不如授人以漁”，希望這本書能夠起到這樣的作用。 本書由國家一流專業、江蘇省品牌專業——江蘇大學金屬材料工程教研組組織編寫工作，第1章由王樹奇教授撰寫，第5、7章由趙玉濤教授撰寫，第8章由羅啟富教授、陳康敏副教授撰寫，其餘各章由戴起勛教授、袁志鐘副教授撰寫，全書由戴起勛教授構思和統稿，江蘇大學程曉農教授、楊娟教授審稿。本書參考文獻列於書後，在此謹向所有參考文獻的作者誠致謝意。江蘇大學邵紅紅教授對課程內容提出了一些寶貴意見，林東洋等在圖文方面做了部分工作，江蘇大學教務處對本書的組織編寫與出版給予了幫助和支持，化學工業出版社對本書的出版付出了辛勤的勞動，在此一並表示衷心感謝。 時間倉促，筆者水平有限，不妥之處，請廣大讀者批評指正。 戴起勛，袁志鐘 2020年3月於江蘇大學