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材料是用来制造各种物品、器件、构件、机器等的具有某种特性的物质实体，是人类生存与发展、征服和改造自然的物质基础。人类社会现代文明的发展史，就是一段利用材料、制造材料和创造材料的历史。表0-1 列出了人类历史的发展阶段和材料及其制备技术的发展。
表0-1 人类历史的发展阶段和材料及其技术的发展
材料科学的发展促进了人类文明的进步，成为衡量一个国家科学技术发展的重要标准，新材料是现代建筑、铁路、航天等各领域的物质基础。材料、能源、信息被誉为现代文明社会经济发展的三大支柱。
传统材料有数十万种，新材料的品种也正以每年 5％左右的速度增长。材料的分类方法如图0-1 所示。
图0-1 材料的分类
“材料科学”包括对材料本质的发现、分析和解释等方面的研究，目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，解释材料结构与性能之间的关系。
“材料工程”着重把材料科学的基础知识应用于材料的研制、生产、改性和应用，以完成特定的社会任务，解决技术、经济、社会及环境上不断出现的问题。
1986 年，由美国麻省理工学院学者主编的《材料科学与工程百科全书》（第 1部）中给出了“材料科学与工程”的概念。
材料科学与工程是研究材料成分与结构、制备工艺流程、材料性能和使用效能之间的关系的知识及应用。
材料科学与工程实际上是一个经过多种学科与现代技术相互交叉、渗透、综合而形成的材料大学科，是从科学到工程的一个连续领域，“材料工程”和机械工程、宇航工程、土木工程、电机工程、电子工程、化学工程、生物工程等紧密联系。
材料科学与材料工程的关系如图0-2 所示。材料科学为材料工程提供设计依据，为更好地选择材料、使用材料、发展新材料提供理论基础。材料工程为材料科学提供丰富的研究课题和物质基础。
图0-2 材料科学与材料工程的关系
材料科学研究“为什么”，材料工程解决“怎样做”。材料科学和材料工程紧密相连，它们之间没有明显的界线。在解决实际问题中，不能将科学因素和工程因素独立考虑。因此，人们常将二者合称为材料科学与工程。
（1）四要素。
国内外材料界一般把构成材料的组分（成分与结构）、工艺（合成与制备）、性能、使用效能视为材料科学与工程的内涵，常称为材料科学与工程的“四要素”。它们之间的关系用四面体表示［图0-3（a）］。材料的成分不同，则组织结构不同，其性能也不同。
（2）五要素。
随着对材料研究的逐渐深入，认识到尽管材料的成分相同，但加工过程不同也会导致材料的组织结构不同，性能也不同。从而，材料科学与工程的内涵由四要素变为五要素，即成分、结构、工艺（合成与制备）、性能、使用效能［图0-3（b）］。
（3）六要素。
随着材料与制备工艺理论的发展，以及材料的计算机设计与模拟研究的深入，我国材料学家师昌旭认为成分与结构同等重要，制备与合成相关联，同时将“材料与工艺理论及设计”也列入了材料科学与工程的要素之一，从而提出了材料科学与工程的六要素［图0-3（c）］。
图0-3 材料科学与工程的要素
材料科学的核心问题是材料的结构和性能的关系。结构在不同层次上的差别对性能的影响是不同的，一般可分为原子结构、原子的空间排列、显微组织三个层次，如图0-4 所示。
1）原子结构与结合键
原子核外的电子数量、排布决定了原子核对其价电子吸引能力的大小。正是由原子对价电子占有方式的不同，当原子形成材料时，产生了离子键、共价键、金属键、分子键等。不同的结合键对材料性能有着根本的影响，可据此将材料分成金属、无机非金属、高分子材料三大类。
2）原子的空间排列
在组成元素相同、结合键类型相同的情况下，原子排列方式的不同会形成完全不同的材料。根据材料的结构基元（原子、分子、离子或络合离子等）在三维空间的排列特点，材料的结构类型分为晶体、非晶体与准晶体三种（表0-2）。
图0-4 材料的结构水平
表0-2 晶体、非晶体与准晶体的概念及特点
3）材料的显微组织
显微组织是借助于显微镜观察到的材料的微观组成与形貌。组成元素相同、结合键相同、原子排列方式相同的材料，其性能也会因组织不同而差别很大。
组织对材料的强度、塑性等有重要影响，比原子结合键及原子排列方式更易随加工工艺而变化，因此组织是一个非常敏感而重要的结构因素。
人类社会的发展历史就是制造和利用材料的技术历史，材料技术主要包括制备技术（如粉体制备技术和高分子材料合成等）、成型与加工技术（如凝固成型、塑性加工和连接技术等）、改质改性技术（如各种热处理和三束改性技术等）、防护技术（如涂镀层处理技术等）、评价表征技术、模拟仿真技术及检测与监控技术七类。
不同类材料的基本加工工艺如图0-5 所示。
图0-5 不同类材料的基本加工工艺
课程绪论部分主要介绍了：材料的发展与人类文明，材料的分类，材料科学的研究内容，材料的基本加工工艺介绍等。
本课程除绪论外，由 13 个章节组成，主要学习内容分成四个部分。
第一部分——工程材料的基础理论，涵盖：工程材料的分类与性能（第 1 章），金属的结构与结晶（第 2 章）；二元合金相图及其应用（第 3 章），钢的热处理（第 4 章）。
第二部分——常用工程材料，涵盖：钢铁（第 5 章），有色金属及其合金（第 6章）；非金属（第 7 章）。
第三部分——工程材料成型技术，涵盖：液态金属铸造成型（第 8 章），固态金属塑性成型（第 9 章）；金属连接成型（第 10 章）。
第四部分——工程材料的应用及成型工艺的选择，涵盖：机械零件的失效与选材（第 11 章），毛坯的选择（第 12 章）。
本课程的学习目标与任务如下。
（1）建立工程材料和材料成型工艺的完整概念，培养良好的工程意识。
（2）掌握必要的材料科学及有关成型技术的基础理论。
（3）熟悉各类常用结构工程材料，包括金属材料、高分子材料、陶瓷材料等的成分、结构、性能、应用特点及牌号表示方法；掌握强化金属材料的基本途径；了解新型材料的发展及应用。
（4）掌握各种成型工艺方法的工艺特点及应用范围；掌握零件（毛坯）的结构工艺性，具有设计毛坯和零件结构的初步能力。
（5）掌握选择零件材料及成型工艺的基本原则和方法步骤，了解失效分析方法及其应用，了解表面处理技术的应用；初步具有合理选择材料、成型工艺（毛坯类型）及强化（或改性、表面技术应用等）方法并正确安排工艺路线（工序位置）的能力。
（6）了解与本课程有关的新材料、新技术、新工艺。
在学习本课程前，学生应先学完工程力学，参加过金工实习，对机械工程材料的加工及应用有一定的感性认识。本课程理论性和实践性都很强，基本概念多、与实际联系密切，在学习时应注意联系物理、化学、工程力学及金属工艺学等课程的相关内容，并结合生产实际，注重分析、理解前后知识的整体联系及综合应用。运用归纳、小结、绘制思维导图的方法去梳理、概括各部分内容，将分散的内容集中、繁杂的内容高度概括，以达到条理、系统、精炼且便于记忆的目的，还要注意把握重点，以点带面，提高学习效率。同时，在学习过程中要注意理论联系实际，主动将课堂上学习的基本理论与金工实习、专业认知实习中的具体实际建立联系，要重视综合实验与生产实践。
1.结合自己身边的材料，谈谈材料对社会发展的作用。
2.举例说明材料科学家对科技进步的贡献。
3.材料科学与材料工程有什么区别？