请问《材料科学基础》这门课怎样才能学懂？ 第1页

2020.06.28更新，约3500字。

一，引言

材料科学基础主要解决两个问题，一是认识材料结构，二是了解材料性质。
为解决这两个问题，课程（教材）提供了两个基本思路：微观的和宏观的。

微观思路和中学建立的物质结构体系有关而稍微延展（延伸+扩展）如晶体结构、位错理论和腐蚀机理；宏观思路是以前忽略的真材实料在不同外界条件下表现出来的各种现象（规律），如枝晶生长、加工硬化和相变增强。因此，从教与学的角度看，材料科学基础学习的重点是材料结构，而难点是材料性质。而且这个难点无法通过这个课程充分解决，可以完全解决的问题则少之又少。

因为材料结构虽然重要，但学生有大致够用的数理化知识基础，理解起来没有什么难度。而从不接触实际应用的中学理科教育和大学科学基础教育，完全无法适应实际材料性能的千奇百怪和千变万化。当然为了描述这些百千万奇怪和变化，就必须建立自己的术语体系，其陌生感大大增加，除了辅以实际观测和材料分析，没有更好的理解途径。显然，由材料科学基础引出的问题，需要后续课程进一步深入了解。

所以，学习材料科学基础，最重要的主观意识需要首先建立起来：

为考试为考研，请留意重点，多看书不听课即可；为工作为科研，请重视难点，听课实验平时观测都不能忽略。因为材料专业的基本价值和终极目标是解决材料性能问题，因此离不开经济日用；而结构问题则与更基础的物理学和化学甚至数学关系密切，独坐书斋也可大体搞定。

当然最好能双修，即便是只为考试。

看到这里你可能就明白了，考试混及格请多在第一个问题上下功夫，将来玩材料请现在就把第二个问题重视起来。并且要开始懂得，专业课程的学习不存在完全弄懂的期许，不论是大二学生还是博士博导，本课程一定有他们弄不明白的事情。

先写到这里，有兴趣的学生可以先看看下面这个回答，有需要的话，再聊双修大法。这个回答里面谈到的知识点已经涵盖大部分课程内容，且宏观微观两条线频繁提及、结构性能二问题交替出现，并且对不同专业方向的《材料科学基础》课程演变和侧重点有所交代，作为自学入门提示，内容是足够丰富了。

再有问题的话，最好把问题提得具体一些，放在评论中，以免浪费彼此时间。这里毕竟不是课程答疑园地，攒够一定数量再补充回答吧。

比如哪个专业术语名词不懂，哪个材料特性现象不明，哪个内在规律结论不好理解，哪个概念公式定理和过去认知有较大差别，等等。一门课没什么好懂不懂难懂的，所有本科必修课程都不难通过自学（即翘课）考试及格。知道自己到底不懂什么，才有可能明白自己为什么不懂，才能尽快达到能懂能会能用的境界。

二，认识材料结构

认识结构之前需要插播一个材料专业的知识大坑。希望后进材料生注意绕行，已入坑的同学，请慢慢适应，调整材料认知习惯。当然，能爬出来更好。

这个大坑就是著名的「材料三角形」和「材料四面体」（图很简单，一般画成等边三角形和正四棱锥样子，顶点处标注文字，初中以上文化都可以完成）。

材料三角形有两个小坑，一个侧重所谓材料科学，即：成分-结构-性能三角形；另一个侧重所谓材料工程，即：结构-性能-应用三角形。

所谓坑是因为给初学者一个错觉，误以为三角形的三个顶点概念是平等关系，并且相互影响相互转变，即存在互为因果关系，有的教材还真在三条边上画上双向箭头。但事实上完全不是这么回事。

1，先看材料科学三角形

实际情况是，成分经常无法决定结构，结构经常无法正常保证性能，而成分和性能经常完全互不相识。材料的结构的微观与宏观研究，都远远没有达到说清楚这个三角形关系的程度。材料科学毕竟不是理论物理，不是形式逻辑，不是高等数学，材料制备、加工和使用的全部过程，充满无数未知数，记住这一点就不会轻信那么多所谓规律了。

2，再看材料工程三角形

真实结果是，应用永远可以找到替代物，性能经常难以带给结构启示，结构经常因为应用而改变性能。这些实际材料天天发生的故事，几乎从来没有进入过我们的材料科学基础课堂。应用科学知识经常缺少完备数学推理，化繁为简基本靠归纳推理，而经验主义的最大好处是告诉我们不能轻信经验，不能从片面关联（非因果）直接向实际材料体系演绎推论。

3，最后说说材料四面体

材料四面体据说是对材料科学三角形的改良，即成分-工艺-结构-性能四面体。这是后来国内专业教学体系强制大幅度压缩专业课教学学时，专业教学委员会不得不将过去几门课程内容「揉合」在一起（其实只能是拼盘）的重要「教学成果」之一。

这个改进版（平面改立体，三元变四元）生硬地将材料科学和材料工程的基本要素合而为一（注意不是合二为一），将材料三角形变成材料四面体，并赋予四元等价地位和相互作用关系。

这就带来了非常大的麻烦。侧重材料结构研究的老师（现在占绝大多数），永远讲不清工艺与另外三元的关系；侧重材料性能研究的老师始终认为，工艺就不该与另外三元平起平坐，而是它们的统帅兼仆人。熟悉欧洲历史同学可能明白，这个角色有点类似文艺复兴前后三百年一些大贵族的掌门人，他们一方面周旋于权贵，一方面研究科学艺术，一方面指导佃户种地喂马养花。

这三四个东西完全不是平等关系，也不存在对等关系，并非总是缺一不可，因果关系也经常不明。它们之间的关系非常复杂，同时各有一些经常完全不相干的外部重大影响因素主导其发挥作用。因此绝大多数材料实验室出品的新材料样品，从来没有达到可以实际生产的苗头就被彻底淘汰了。

因为「材料科学与工程」至少在国内始终是材料专业的正式名称，离开商业材料成功开发的材料研究，注定是上不着天（物理学）下不着地（工程学）的搬砖学科。但可以自娱自乐，不可误人子弟，专业课程学习时，教师必须交代清楚这个。

因此不管将来是为发顶刊论文还是研发超欧美日材料，建议初学者首先避开这个知识大坑，想办法自己搭建材料科学知识框架，认知材料工程基本规律。

（以下针对可能的提问回答）

三，了解材料性能

材料性能学习中可能经常遇到一个忽略，它来源于下面这个事实。

通观材料专业培养计划课程和专业教材内容（一般优秀学生会提前翻阅专业课程教材），材料性能似乎以理化性能和性能机制认知为主，但分散在各门课程中的使用性能及其影响因素却总是语焉不详，甚至完全搞不清楚工艺性能、力学性能、功能性能、装配性能、成形性能、环境稳定性之类与使用性能和理化性能有什么关系。大多数材料生直到进入实验室才发现（有的学生仅在毕业论文期间知道实验室在什么地方），自己竟然不能确定认识任何一件看到用到的材料或材料制品，更不要说区分相近材料和正确使用实验器材了。

举个例子，看到本地有老工程师一本正经用标准电极电位数值，评判铜导线的耐腐蚀性，真是替他难为情。知道一点金属腐蚀基础知识的人都清楚，实际使用的紫铜、各种黄铜、白铜、青铜等（不一定做导线），它们的真实电极电位或腐蚀电位和所谓纯铜的标准电极电位完全无关，而且随合金成分、随环境介质性质不同而有很大范围的变化。这些变化决定了在材料使用环境相同时，有些铜很容易腐蚀，有些铜很不容易腐蚀，因此有时候裸铜线就很好，有时候则必须镀金/镀银/镀锡/镀锌或用黄铜。

这个事实背后的真相是，材料性能的教学忽略使用性能太久了，尤其缺少使用性能与理化性能，缺少使用条件和材料成分对理化性能影响的关联性解读，包括教材，包括教学过程和实验过程。每个材料生只能在用到具体材料时再想办法搞清楚它是个什么玩意儿。这就是前面说的「除了辅以实际观测和材料分析，没有更好的理解（性能的）途径」。

意味深长的另一个事实是，这个认知环节的忽略在绝大多数学校越来越严重了，而少数大学却早已想方设法予以弥补，国内材料生的专业差距越来越大。

（以下针对可能的提问回答）

四，结构与性能双修大法

其实道理很简单，工程类各专业的专业基础课都是开放体系：下接数理化生基础，上达理工农医前沿，左右人文社科艺术。个人已经具备的任何知识和技能都有助于加深对专业的理解；反过来也一样，一切专业基础知识都有助于扩展个人对已有知识和技能更加深广的体悟。

毋需在本科阶段把自己设定或默认是什么专业的人，专业大多相通。艺术讲究通感，科学贵在通识。通感让一切艺术类型变得彼此亲近，通识是一切现代科技发展的协调作用基础。

没有什么专业是坑，只有按坑理解专业的人才可能深陷坑中，因为科学技术在面对问题求解的现实层面从来都是一体的。

因此，结构与性能双修的要领就是，不要把自己的未来与某些知识、课程、竞赛、证书直接挂钩。用心独自建构个人知识背景上的材料科学与工程（或自己认定的一个行业）知识体系，并试图理解和发现生活、制造业和研究领域的材料（或感兴趣的任何专业）问题，同时训练和提高个人对外部世界（职业、行业、人生）的认知敏感性和准确度。

材料专业不是一个专业，它至少是一个行业，也是一个社会。