第Ⅰ篇总论1
第1章历史分析1
1材料与人类社会2
1.1人类超越其他动物的历史2
1.2新技术革命与材料科技2
2材料学的进化5
2.1实践5
2.2认知7
2.2.1美国MIT矿冶及材料系名称的演变7
2.2.2简论材料7
2.2.3微观材料学体系的建立历程11
2.2.4宏观材料学体系的建立历程13
第2章逻辑分析16
1概念16
1.1形式逻辑的规则17
1.2辩证逻辑中的概念18
1.3在“材料”中的应用22
1.4在“材料学科”中的应用22
1.4.1定义22
1.4.2材料学的划分23
2推理23
2.1概述24
2.2第三种推理方法——类比法24
2.3类比法的广泛应用30案例28
2.4材料学与生物学的类比与交叉29
2.4.1环境29
2.4.2性能30
2.4.3结构31
2.4.4过程和能量32
2.4.5结语32
2.4.6附录33
2.5应用学科的巨集观分支33
2.5.1实践与反思33
2.5.2共鸣和启示35
2.5.3共性特点37
2.5.4总结和前瞻38
3因果39
3.1引言39
3.2分析39
3.2.1亚氏的应用39
3.2.2亚氏困境和缓解40
3.3结语41
4辩证思维的示例42
4.1引言42
4.2氢对材料的有益作用42
4.2.1氢对材料工艺的影响42
4.2.2氢对材料性能的影响43
4.3阳极溶解的有益作用43
4.3.1浸蚀43
4.3.2化学加工44
4.3.3抛光44
4.4腐蚀广论46
4.4.1环境46
4.4.2腐蚀广论47
第3章系统分析49
1系统的定义49
2系统分析50
2.1定义和内容50
2.2作用和重要性51
2.3模型化技术51
2.4最优化技术52
3模型化与结构设计52
4反馈的应用53
4.1概貌53
4.2学术实践的慎思53
4.2.1合金钢的研究53
4.2.2断裂机理的研究54
4.2.3耗散结构理论的启示55
4.2.4材料微观现象的新反馈55
第4章简易材料论57
1引言57
2分论58
2.1性能——一个符号58
2.2结构——一个方程59
2.3环境——五个对待59
2.4过程——三条原理61
2.5能量——八个分析62
3结语63
第Ⅱ篇分论64
第5章引论——书的结构64
1材料学的划分64
2宏观材料学的结构65
第6章生态材料67
1历史回顾67
2逻辑思考68
2.1环境与材料68
2.2发展与增长69
2.3材料的定义和判据70
2.4生态71
2.4.1顾名思义或望文生义71
2.4.2溯源及定义71
2.4.3划分及引申72
2.5生态材料72
2.6外延和研究领域73
2.6.1环境73
2.6.2人文社科问题74
2.6.3科学技术问题76
3系统分析78
3.1模型化78
3.2最优化79
4未结束语80
4.1可持续发展法则81
4.2广义生态81
第7章材料经济84
1引言84
2经济体制85
2.1基本类型85
2.2我国经济体制改革历程86
2.2.1功能87
2.2.2环境88
2.2.3结构90
3经济学的基本规律92
3.1收益递减律93
3.2商品价格律94
4材料经济学97
4.1定义和内容97
4.2物质与信息的流动与循环97
4.2.1物质循环98
4.2.2材料企业的资讯循环和反馈101
4.3材料生产的经济分析101
4.3.1成本分析101
4.3.2生产要素的最优组合103
4.3.3社会分工的经济效益104
5结语104
第8章科技法律106
1概述106
1.1逻辑分析106
1.1.1定义106
1.1.2划分106
1.2系统分析107
1.2.1科技发展对法律的影响108
1.2.2法律对科技发展的影响109
1.2.3科技法律内的系统分析109
2功能109
2.1规范功能109
2.2社会功能111
3结构111
3.1纵向结构112
3.2横向结构113
3.2.1科技法与民法之间的关系113
3.2.2科技法与行政法之间的关系113
3.2.3科技法与环境法之间的关系114
3.2.4科技法与经济法之间的关系114
3.2.5科技法内的横向结构114
4环境115
4.1社会环境116
4.2科技环境117
5过程117
5.1概念117
5.2特点118
5.3两个阶段118
5.3.1第一阶段118
5.3.2第二阶段119
5.4利益119
5.4.1利益与科技法形成的关系119
5.4.2利益与科技法实施的关系120
6能量121
6.1含义121
6.2作用121
第9章材料科研123
1引言123
2类型124
3选题125
4方法128
4.1系统分析法128
4.1.1寻求韧性最佳的工艺128
4.1.2寻求满足性能要求的材料和工艺129
4.1.3材料理论问题的研究130
4.2假说法130
4.2.1假说法在形式逻辑中的位置132
4.2.2提出假说的方法134
4.3直觉法及机遇法137
5科研水准137
6评价和管理138
6.1科研效益138
6.2科研效率139
第10章材料教育141
1简言中国的人才141
1.1定义141
1.2才能141
1.3知识结构142
1.4环境142
1.5过程142
1.6能量143
2初论人文素质教育144
2.1破题144
2.2概念144
2.2.1素质145
2.2.2人文及人文学148
2.2.3人文素质149
2.3人文素质教育149
2.3.1目的和内容149
2.3.2方式与方法150
2.4结语151
3学习论151
3.1引论151
3.2概念152
3.3环境153
3.4目的——提高才能153
3.5内容——知识结构155
3.6方法——学习过程156
3.6.1认真地学156
3.6.2学、思、问的结合156
3.6.3博学之157
3.6.4学以致用157
3.6.5专与博158
3.6.6整理资料158
3.7结语158
第11章材料选用160
1提出问题160
2性能选材法162
2.1使用性能162
2.2工艺性能162
2.2.1淬裂过程162
2.2.2钢种选择165
2.3性能递增选材法165
3成本选材法168
3.1材料成本法168
3.2生产成本法172
4多目标选材法173
4.1问题和目标173
4.2评价技术174
4.2.1分级法174
4.2.2优化法175
5决策论177
5.1概念——决策与问题177
5.2决策技术178
5.3问题的划分与分析179
6材料的管理180
第12章材料展望182
1引言182
2预测方法182
2.1分类183
2.1.1直观预测法183
2.1.2探索预测法184
2.1.3目标预测法184
2.1.4反馈预测法185
2.2外推法185
2.3特尔菲法187
3未来材料189
3.1总的趋势189
3.1.1材料生命曲线189
3.1.2竞争与替代190
3.2传统材料的改进192
3.2.1调整成分192
3.2.2改进工艺193
3.3新材料的研制195
3.3.1需要与满足195
3.3.2引进和创新197
【例】纳米材料198
(1)哲理198
(2)逻辑思考199
(3)历史进程200
(4)微观分析——科技问题201
(5)宏观控制——市场问题203
(6)现况与展望204
(7)结语204
3.3.3系统和环境205
第Ⅲ篇结论207
第13章结论207
1算计论208
1.1引子208
1.2分析208
1.2.1区别208
1.2.2关系209
1.2.3假算出假计209
1.2.4错算出错计210
1.3结语210
2生态论211
2.1自然环境211
2.2社会环境211
3适中论212
3.1破题212
3.2人文思考212
3.2.1哲理212
3.2.2历史213
3.3社会评价214
3.3.1政治运动214
3.3.2经济改革的宣传导向214
3.3.3经济体制的改革215
3.3.4经济规模和收益递减律215
3.4科技分析217
3.4.1数学的极值问题217
3.4.2系统工程的最优化218
3.4.3材料物理问题219
3.4.4功能过剩219
3.5结语220
参考文献
A肖纪美着或编着的学术着作221
B肖纪美的材料宏观问题论文222
C其他文献224
图目录227
表目录231
推荐序
作为学生是没有资格为先生的书作序的,但我有幸成为《宏观材料学导论》这本书的第一个读者,读后顿觉豁然开朗,遂以此文抒发感想并致敬意。
《宏观材料学导论》的结构完全不同于传统的材料学专着,有着鲜明的时代特色。在我看来,这部着作映射着肖先生长期教学和科研成果的结晶,是60余年知识和智慧的沉淀。将材料学的原理和应用、理论和实际紧密结合,是肖先生的治学体会,更是材料学的治学方法论。从中我们可以领悟到肖先生强烈的敬业精神、严谨的治学态度、精湛的学术造诣,以及在材料科学的发展和材料科学的教育事业中做出的巨大贡献。
数十年来,肖先生博览中外古今群书,博採众家之长,将宏观与微观结合、自然科学与社会科学结合,创建了别具一格的学术体系。《宏观材料学导论》就是其中的一部力作。《宏观材料学导论》以方法论为主线,精辟地论述了材料学中的逻辑思想方法、系统思维方法、简易材料论的分析方法与归纳方法。此外,又以个论的形式,论述了宏观材料学的结构及系统的分析方法,内容涉及生态材料、材料经济、材料科研、材料教育、科技法律及材料的应用。
本书主要特色在于,体系新颖,思路独特。在理论和应用,乃至经济学和哲学等多方面都有独到的论述和创见。理论概念严谨清楚,深入浅出,可读性强。丰富的应用事例,学用结合,为读者提供了一条学习和研究材料的高效方法。多学科的交叉与渗透是本书的又一大特色。肖先生运用了多种学科的原理,提出了各种材料问题的分析方法及共性通则,读后大有余味未尽之感,确实是一部难得的具有创新体系的科学着作。
我相信,肖先生的这部新作,将给予材料学界和科学界的专家学者以启发。我同样相信,本书一定会强有力地推进中国的研究生教育事业的发展,并成为当代材料学科类研究生“宏观材料学”的入门教材。
衷心祝福肖先生健康长寿。
才鸿年
前言
“学然后知不足,教然后知困。知不足然后能自反也,知困然后能自强也。故曰:教学相长也。”(【C1】p1521)
1943年,着者在唐山交通大学矿冶工程系毕业后,在高中任数理化教师及钢厂技术员。1948年1月赴美留学,1950年8月获美国密苏里大学冶金学博士,在冶金及机械厂的研究部门工作7年后归国。1957年至今,在北京科技大学任材料物理教授。一生都在“学”,大部分时间都任“教”;真是“知不足”、“知困”,期望“教学相长也”。
在长期教学与科研实践的基础上,编着出版了19部着作(见参考文献A),深感人生总会有几次改行,为了适应21世纪的发展需要,必须借助于广泛的“类比交叉”。1986年,我在编着的关于材料科学与工程的20小时电视教材——《材料的应用与发展》(【A8】)中,提出“材料学”及“宏观材料学”、“微观材料学”,并发表了60余篇材料宏观问题方面的论文(见参考文献B)。
简单回顾人类认知“材料”的历程,大致可分为如下五个阶段:
【Ⅰ】微观材料学
(1)性能的测试 P(性能)
(2)相关法——P与S的相关关系 P←→S(结构)
(3)过程法——从Z去理解和控制 e(环境)→S→Z(过程)→P
(4)能量法——E是控制因数
(说明见正文)
【Ⅱ】宏观材料学
(5)在社会环境中,“经济”是控制因数
撰着本书是一种新的尝试,资料也採用新的方式组织。在“前言”之后,分3篇,共13章。
第Ⅰ篇总论,计4章。前三章依次运用“分析方法”——历史、逻辑、系统,从整体上论述“宏观材料学”的来龙去脉,明确它的定义和划分,了解它的各部分和各部分之间的关系,期望读者不仅学到宏观材料学的基本内容,而且能初步理解分析问题的科学方法;第4章尝试遵循《易传》所云的“简易、变易、不易”三义,总结“微观材料学”中性能、结构、环境、过程、能量五个命题的18种方法,提出“微观材料学”的两个基本方程:
P=f(e,S)
S={E,R}
式中,P、e、S依次为材料的性能、环境和结构,而E是材料中“组元(Element)”的集合,R是组元之间“关系(Relationship)”的集合。这一章名曰“简易材料论”,与前三章合併,称为“材料学的方法论”,运用它,不仅可认识材料这类“物”,推而广之,还有助于分析其他的物、人、事,故称之为本书的“总论”。
第Ⅱ篇分论,从第5至第12章,计8章。第5章在我国1996至2010年的15年大局的两个基本战略的指引下,简介随后七章之间的关系;第6章以生态材料为例,阐明可持续发展战略的实施;第7章讨论宏观材料学的核心问题——材料经济,第8章简述材料经济活动的保証——科技法律;第9章的材料科研及第10章的材料教育涉及落实我国第二个战略——“科教兴国”;第11章材料选用及第12章材料展望分别论述材料的现时及未来的问题。
第Ⅲ篇结论,仅含第13章,分3节。本章简单小结前面12章的主要内容之后,依次介
绍和平发展时期的处事三论:算计论,生态论,适中论。
全书的图、表以篇计数,如图Ⅰ.4为第Ⅰ篇第4图,表Ⅱ.2为第Ⅱ篇第2表,余类推。方程式、引语、韵言则合併以章计数,如(7.3)为第7章第3式(或引语,或韵言)。注意,不加括号的7.3表示第7章第3节。
为了有助于阅读、选读、查阅、查覆,本书试採用下列方式:
(1)用较详细的正文、图、表目录,替代索引;
(2)在每章之首,以斜体字选警句,供重视;
(3)在每页书眉,以短句标明本页重点;
(4)提供较详细的参考文献目录,以便查覆或进一步阅览。
成稿时,回忆70余年学海拾贝往事,如有所获,要特别感谢师友们的指点和帮助,老伴洪镜纯在国内外的风雨同舟。
本书初探,如有谬误,敬请批评指正。
肖纪美
读完《宏观材料学导论》,我最大的感受是,材料科学是一门非常“接地气”的学科。它不是高高在上的理论,而是与我们的生活息息相关。书中关于摩擦磨损、疲劳断裂等内容,让我对日常生活中遇到的各种材料损坏现象有了更深刻的理解。比如,为什么有些工具用着用着就钝了,为什么有些零件容易断裂,这本书都给出了科学的解释。作者在讲解这些内容时,并没有使用过于晦涩的专业术语,而是尽量用生活化的语言来阐述,这让我觉得非常贴近。同时,书中还触及到了一些新兴材料的应用,比如智能材料、纳米材料等,这些内容让我看到了材料科学的未来发展方向,也感受到了科技的无限可能。这本书让我觉得,材料学不仅仅是关于“东西”,更是关于“更好的东西”,以及如何用“更好的东西”去创造更美好的生活。
评分当我深入阅读《宏观材料学导论》中关于复合材料的部分时,我感到自己仿佛进入了一个全新的材料世界,一个由不同材料“强强联合”而成的奇妙领域。复合材料的出现,可以说是在传统材料性能基础上的一次巨大飞跃,它能够整合不同组分的优点,从而获得单一材料无法比拟的性能。书中对于纤维增强复合材料的介绍,让我印象深刻,无论是碳纤维、玻璃纤维还是芳纶纤维,它们与聚合物基体结合后所能达到的高强度、轻质化的特点,是许多尖端领域,如航空航天、汽车工业、以及高性能体育器材所迫切需要的。作者对于界面科学的讲解,更是点明了复合材料成功的关键所在,纤维与基体之间的良好结合,直接决定了复合材料的整体性能,这一点让我受益匪浅。此外,书中还涉及了颗粒增强复合材料、层状复合材料等,这些不同类型的复合材料,在各自的应用领域都扮演着至关重要的角色。读到这里,我开始体会到材料设计中的“魔方”乐趣,如何巧妙地搭配不同的组分,创造出满足特定需求的“超级材料”,这是一种极具挑战性和创造性的过程。
评分这本书给我最深刻的印象,莫过于它在处理陶瓷材料部分时,那种既严谨又不失通俗的笔触。我一直觉得陶瓷,虽然在我们印象中常与“易碎”挂钩,但在现代科技领域,它的地位早已不可同日而语。从航空航天的耐高温部件,到电子信息产业的绝缘体、半导体,再到新能源领域的电池隔膜,陶瓷材料所展现出的卓越性能,常常令人惊叹。作者在书中对陶瓷的晶体结构、烧结过程、以及如何控制气孔率等关键因素的讲解,都做得十分到位。尤其是关于氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷的分类和特性对比,让我对这个材料家族有了更系统的认识。读到那些关于陶瓷力学性能的讨论,比如脆性断裂的机制,以及如何通过增强相来提高其韧性,我仿佛能看到科学家们为了攻克材料瓶颈所付出的不懈努力。这本书不仅仅是在介绍材料的“是什么”,更在于深入浅出地解释“为什么会是这样”,以及“如何让它变得更好”。这种探究精神,正是科学的魅力所在,也让我对材料科学这门学科产生了更浓厚的兴趣,甚至开始思考未来在相关领域深造的可能性。
评分《宏观材料学导论》在内容的编排上,可以说是非常具有逻辑性和系统性。它并没有简单地将各种材料罗列出来,而是试图构建一个完整的知识体系。从材料的基本结构、性能,到各种材料的分类、制备、加工,再到材料的失效与应用,都围绕着一个核心——“宏观性能”展开。作者在讲解每一种材料时,都会强调其宏观性能的特点,以及这些性能是如何由其微观结构决定的。这种层层递进的讲解方式,使得读者能够逐步建立起对材料科学的整体认识。我特别欣赏书中对于“性能-结构-加工-应用”之间相互关系的强调,这四个要素在材料科学中是相互依存、相互制约的,理解了它们之间的联系,才能真正掌握材料的精髓。这本书为我提供了一个清晰的认知框架,让我在面对各种材料问题时,不再感到迷茫,而是能够有条理地去分析和解决。
评分《宏观材料学导论》这本书,给我最大的启发在于它让我认识到,材料科学的进步是推动人类社会发展的重要驱动力之一。从石器时代到青铜时代,再到铁器时代,每一次材料的革新都带来了生产力的巨大飞跃,改变了人类的生活方式。如今,我们正处在一个新材料层出不穷的时代,无论是新能源、信息技术,还是生物医药,都离不开高性能材料的支撑。书中对各种材料的性能、应用以及发展趋势的介绍,让我深刻体会到这一点。我尤其关注书中关于可持续材料和绿色材料的讨论,这让我意识到,在追求材料性能的同时,我们还需要关注材料对环境的影响,以及如何发展更加环保、可持续的材料。这本书让我对材料科学这门学科充满了敬畏之情,也让我更加期待未来材料科学能够为人类社会带来更多的惊喜和福祉。
评分这本书在讲解材料的宏观性能时,非常注重与实际应用场景的联系,这一点让我觉得非常实用。比如,在介绍金属材料的强度和韧性时,作者会自然而然地联系到桥梁、建筑、汽车安全结构等实际应用,让我们能直观地理解这些抽象的力学性能在现实世界中的意义。同样,在讨论高分子材料的耐候性、耐化学腐蚀性时,书中也会提及到户外用品、化工设备的材料选择等。这种“从理论到实践”的讲解模式,使得原本可能枯燥的技术细节变得生动有趣,也让作为读者的我,更容易将书本知识内化,并应用到自己的思考中。我尤其喜欢书中关于材料失效分析的部分,了解材料在何种条件下会发生断裂、蠕变、疲劳等现象,以及如何通过材料设计和使用规范来避免这些失效,对于工程师和科研人员来说,是必不可少的知识。这本书让我明白,材料科学不仅仅是关于材料本身,更是关于如何让材料在特定的环境下,安全、可靠、高效地工作。
评分这本书的内容给我带来的不仅仅是知识上的增长,更多的是一种思维方式的启发。作者在讲解过程中,常常会引导读者进行批判性思考,比如在介绍一种新型材料时,会分析它的优势和劣势,以及它可能面临的挑战。这种开放性的讨论,鼓励我们不要被现有知识所束缚,而是要敢于质疑,勇于探索。我尤其喜欢书中对材料选择原则的阐述,它不仅仅是列出各种材料的优缺点,更重要的是教我们如何根据具体的应用需求,权衡各种因素,做出最合理的材料选择。这种“权衡与取舍”的思维,在现实生活中同样非常重要。读完这本书,我感觉自己看问题的角度变得更广阔了,看待事物的分析能力也得到了提升,不再仅仅是停留在表面,而是能够深入到事物的本质,去探究其背后的原理。
评分这本书的写作风格让我觉得非常亲切,作者似乎很了解读者的困惑和疑虑,并在讲解过程中不断地给予解答和引导。在阅读过程中,我时不时会产生一些疑问,而往往在我开口询问之前,作者就已经在接下来的内容中给出了答案,这让我觉得非常贴心。比如,在介绍金属的相变时,我可能会对不同相之间的转变条件感到困惑,但作者紧接着就会通过相图的解读,清晰地展示出这些转变是如何发生的,以及在什么条件下会发生。这种“先忧读者所忧,后施读者所教”的方式,极大地提升了阅读体验。此外,书中还包含了一些思考题和课后练习,虽然我还没有去深入解答,但它们无疑为我提供了一个巩固知识、检验学习成果的平台。这本书不仅仅是一本教材,更像是一位耐心细致的老师,陪伴我一起探索材料科学的奥秘。
评分在我看来,《宏观材料学导论》这本书最大的价值在于它能够激发读者对材料科学的兴趣,并为进一步深入学习打下坚实的基础。书中并没有回避一些复杂的理论概念,但却通过巧妙的语言和丰富的例子,将它们解释得通俗易懂。我尤其赞赏作者在处理一些基础理论时,并没有一笔带过,而是花费了大量的篇幅去解释其物理意义和实际应用。比如,关于晶体缺陷的讲解,虽然初看有些抽象,但作者通过类比和图示,让我们能够直观地理解这些微小的结构差异如何对材料的宏观性能产生巨大的影响。这种“润物细无声”的教学方式,使得我们在不知不觉中,就掌握了许多重要的知识点。对于我这样对材料科学充满好奇但又担心其过于专业的读者来说,这本书无疑是开启这扇大门的一把金钥匙。
评分初翻开《宏观材料学导论》这本书,就有一股厚重的学术气息扑面而来,这倒不是说它装帧多么奢华,而是一种源自内容本身的沉甸甸的专业感。我一直觉得,材料科学这个领域,虽然听起来很“高大上”,但其根基却深深扎在我们日常生活的方方面面,从你手中握着的手机壳,到你每天通勤乘坐的车辆,再到你脚下坚实的建筑,无一不与宏观材料息息相关。这本书的出现,恰好填补了我在这方面知识上的一个重要空白。我尤其关注书中关于金属材料的章节,金属在现代工业中的地位不言而喻,而不同金属及其合金的性能差异,以及如何通过热处理、合金化等手段来优化它们的力学性能、耐腐蚀性等,一直是我非常感兴趣的课题。书中对各种晶体结构、缺陷理论的阐述,虽然有些抽象,但配合着清晰的图示,逐渐勾勒出了材料微观世界与宏观性能之间的内在联系,这让我大呼过瘾。接着,我迫不及待地翻到了关于高分子材料的部分。高分子材料的蓬勃发展,可以说定义了我们所处时代的很多特征,从轻便耐用的塑料制品,到高性能的纤维,再到生物医学领域的应用,简直无处不在。作者在这一部分的讲解,似乎能精准地捕捉到读者对这些“神奇”材料的好奇心,并以一种循序渐进的方式,将复杂的链结构、交联、结晶等概念一一剖析。读到关于高分子材料加工成型的内容时,我脑海中不禁闪过无数日常用品的制造过程,这种将理论与实际相结合的阅读体验,着实令人着迷。
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