【材料课堂】解读材料科学与工程

本文为大家解读材料科学与工程（Materials Science and Engineering，简称MSE)学科领域，所有的材料类专业人员及从业人员，均属于这个学科领域的一份子。

作为人类文明的基石--材料，其定义一直没有一个准确的答案。美国科学院曾给出了这样的定义：具有一定性能，可以用来制作成器件、结构、产品的物质称为材料。或者直白一点，一切可以做成有用的物件的物质称为材料。但材料的发展，却一步步的使得人们对其的理解发生变化，因此没有一个确切的界定。好在材料千变万化，但是材料的四大基本要素却是不变的：成分与结构、合成与加工、性质、使用效能。而材料科学与工程，就是不断的追求和探索这四大基本要素的学科领域。因此，材料的四大基本要素，也就构成了材料科学与工程的基本要素。

材料科学与工程四大要素

材料科学与工程四面体

1：性质。既然材料是人们用于制造有用物品、器件和各种构件和产品的物质，它必然具有其特定的性能。一般来说，材料的性质是指材料对载荷、电、磁、光、热的反应，可以分为力学性能、物理性能、化学性能。

2：成分与结构。组成材料的原子类型和分量，称为材料的成分，而它们的排列方式和空间分布则为结构。材料的成分和结构对材料性能有着重要的影响。只有控制材料的成分和结构，才能达到人们所追求的性能。例如材料人网目前采用的验证问答的答案——晶粒强化，就是通过细化晶粒，增加晶界，阻碍位错运动，从而达到提高材料强度的效果。

3：合成与加工。合成和加工是控制材料成分和结构的基础和必要手段。合成与加工是将材料制备成产品，是决定产品的质量、成本和竞争力，而且具有相当的“保密性”。例如钢材经过退火、淬火、回火等热处理来改变内部结构而达到预期的性能。

4：使用效能。使用效能指材料在最终的使用过程中的行为和表现。由于材料在使用中所处的条件和使用环境是复杂的，因此材料在使用过程中的表现和行为才是对材料最有效地考验，也是衡量材料使用价值的依据。例如泰坦尼克号的沉没的一个重要原因是所使用的钢材在低温下变脆，此后科学家们开始考虑钢材的韧/脆转变温度。还有核反应堆中的配件在反应堆的使用条件下，会慢慢变形（这种现象称之为蠕变）等等。

材料初学者要想了解材料从业人员是干什么的这个问题，可以从理解材料科学与工程四大要素入手。因为追寻和探索这四大要素之间的关系，构成了材料科学与工程学科领域全部的内容。因此，美国麻省理工主编的《材料科学与工程百科全书》，就对材料科学与工程下了如此的定义：材料科学与工程是研究有关材料的组成、结构、合成与加工与材料性能和用途的关系的知识。

材料科学与工程的内涵

材料科学与工程可以分为材料科学、材料工程两部分。

材料科学是研究材料的组织、结构与性能的关系，探索自然规律，以便更好的指导材料的成功应用。它考虑的是成分与结构对性质、使用效能的影响。值得一提的是，Robert W.Cahn 所著的《The coming of Materials Science》（国内译本《走进材料科学》，由杨柯等翻译），将材料科学诞生的基础归纳为三大理论：原子和晶体学说、显微组织、相平衡。

材料工程：研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题。它考虑的是合成与加工对性质、使用效能的影响。

由此可以看出，材料科学与工程既包含从事不带目的性的基础研究，也包含从事应用性研究。因此，很多材料专业同学称材料科学与工程为工科中的理科，理科中的工科。

材料科学与工程学科演变

虽然人类自有文明以来就开始学习使用和研究材料，但材料科学与工程这一名词却相当年轻，于20世纪60年代诞生于美国西北大学。从历史上看，当代材料科学与工程系主要由矿冶系演变而来。下面我们分欧美、国内两个方面讲述材料科学学科演变过程：

欧美学科演变

1：19世纪后半叶，英国和美国部分大学开始设立矿冶系，分别侧重于炼钢、铸铁、冶炼工艺安排教学。

2：1957年，前苏联成功发射人造卫星。其中，宇航材料的一系列重大突破为这次成功打下了坚实的基础。而这次一事件也引起了英美对材料研究和教育产生了影响。20世纪50年代开始，英美原设置冶金系的大学逐步将系名更改为冶金与材料系或者材料系。

3：80年代以后，欧美大学基本以材料科学与工程系命名。从冶金系向材料系转变的历史进程就此结束。

国内学科演变

1：1895年成立的北洋西学学堂设立矿冶学科，开创了国内材料教育先河。之后，国立唐山工学院、东北大学、武汉大学等高等学府相继设立冶金系。这段时期，国内材料教育主要是培养矿冶人才，满足开发材料资源需求。

2：新中国成立后，借鉴苏联经验，经过一系列的院校合并，北京钢铁学院、东北工学院和中南矿冶学院等冶金工业院校成立。这一时期，我国材料科学技术人才被分割在十几个专业内培养，分属冶金、机械、化工。例如金属材料被细分为冶金物理化学、金属材料及热处理、铸造、焊接、压力加工、粉末冶金等专业。

3：改革开放以后，借鉴欧美大学材料系的发展经验，浙大、清华、北科、复旦相继成立材料科学与工程系（院）。在这期间，材料科学学科也做了相应的改革，例如试办新专业，如材料科学、材料工程、材料物理、热加工等专业，总体上已打破专业设置界限，加强专业间和渗透和联系。

4：进入21世纪初，材料科学与工程专业做了大幅调整，将材料物理、材料化学、粉末冶金、复合材料等专业合并成材料物理与化学、材料学、材料加工工程三大类。

多学科交叉的发展趋势

作为一门多学科汇集交叉领域，材料科学与工程既与物理、化学、力学、数学等基础学科紧密相连，也与制造技术紧密相关。材料科学与工程的每一个微小的进步，都可以迅速的辐射到其他领域持续进步。材料科学与工程涉及的方面如此之广泛，以至于世界上没有一个国家成立以材料科学与工程为专业的组织或者部门。（这也是很多材料学子困惑的地方所在：材料科学与工程没有一个行业可以囊括）。而且，材料科学与工程与其他学科交叉正在日益加强，已经成为一个公认的必然走势。

（来源：材料科学与工程）