科技进步与现代文明丛书--材料科学与材料世界

佛罗里达州位于美国东南角,是环抱墨西哥湾的半岛,那里的阳光、沙滩、海浪世界闻名，是旅游、休假和安度晚年的圣地。此外，还是美国航天事业的重要基地，这里既有过多次辉煌，也有令人惨痛、不堪回首的记忆。美国从20世纪70年代初开始研制航天飞机，1981年4月世界上第一架航天飞机“哥伦比亚”号试飞成功，至1985年底一共成功进行了24次太空飞行。然而，在第25次飞行发射时惨剧发生了。那是在1986年1月28日上午11时39分13秒，位于该州东海岸毗邻大西洋的卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心上空，“轰”的一声巨响，喷着烈焰，拖着一股巨大的白色烟雾向太空迅速爬升的“挑战者”号航天飞机,顷刻间已炸成一团巨大的火球，然后迅速分成两股浓烟向下翻滚坠落，在天空写下一个大大的“Y”字。在现场观看航天飞机发射盛况的一万名观众还没有来得及反应过来，一场世界航天史上前所未有的最大的机毁人亡悲剧业已发生，遇难的人士中有1名准备在太空授课的女教师。那么，导致这一次空前灾难发生的原因是什么呢？“挑战者”号航天飞机为什么会爆炸呢？
尽管航天飞机上没有设计记录详细情况的“黑匣子”，专家们从发射时拍摄的照片中发现，航天飞机右侧的一枚助推火箭，在上升不久出现了一个小火球，专家们认为这是由于这枚火箭体上出现了一条裂缝，几千度高温的烈焰从那裂缝中喷向外燃料箱，点燃其内100多万升的氢氧（液体）燃料， 7名机组人员还未来得及反应，便粉身碎骨了。
航天飞机是人类的尖端科技成果，除了精心设计计算和制造外，它的每一部位都对所用材料提出特殊要求。比如，其运载火箭的材料。要将一架航天飞机送入太空，需要几节火箭的“接力”运送。由于各级火箭所发挥的作用、运动速度不同，因此制造各级火箭的材料也就各不相同。特别是最后一级火箭，当它在太空中飞行时，面向太阳和背向太阳的两面之间温差可达数百摄氏度，这种温度的剧变会产生火箭各部分热胀冷缩的巨大差异，导致严重的内应力，很容易引发陶瓷等脆性材料的开裂（如同质量稍差的玻璃杯冲入沸水时的炸裂），这就要求火箭的壳体要有极高的温度适应性。又如航天飞机的机身材料。航天飞机是往来于太空-地球之间、可以多次反复使用的航天器，当航天飞机完成任务后穿过大气层返回地球时，由于飞机外壳和空气的高速摩擦，机壳的表面温度可高达1000℃以上。而且，除了耐高温之外，飞船、火箭等航天器的外壳还要能经受星际空间大量小流星（流星雨）及其他星际物质类似枪弹的冲击作用。再有，就是火箭尾部的喷嘴，要能承受高达4000℃带有腐蚀性的烈焰作用，如此等等。
这里仅介绍航天飞机和火箭装备外壳的特殊材料。它们的壳体本身是用密度小、强度高（具有高的比强度）,且熔点高、抗腐蚀性好的稀有金属钛合金制成的，钛合金的最高使用温度为500～550℃。再在其上（壳体外面）安装一层由几万块陶瓷材料（石英等）做的耐热、隔热瓦，当航天飞机带着烈焰飞返地球时，它们可承受千度以上的摩擦高温的大部分，传入钛合金蒙皮的温度仅有300~400℃了。如此，用主要由钛合金做成的蒙皮材料就可以在450℃的温度下重复使用100次以上而不会失效，并足以使航天员和航天飞机的内部结构、机装设施（仪器和其他实验物品）安全工作了。
“挑战者”号的悲剧并不是惟一的一次。2003年2月1日（正值中国春节大年初一），美国使用次数最多的“哥伦比亚”号航天飞机重返大气层时，超高温气体从“裂孔”处进入机体，造成航天飞机解体、机毁人亡。美国“哥伦比亚”号航天飞机事故调查委员会的最终调查报告说，导致“哥伦比亚”号事故的技术原因，是这架航天飞机发射升空817s后，外部燃料箱外表面脱落一块泡沫塑料，撞击机身而使航天飞机左翼前缘的热保护系统形成裂孔，最终导致返回时的解体。
按常规，（几乎没有质量的）泡沫塑料--撞击--引起事故，是不可思议的。然而对于太空飞行的航天飞机，一切就截然不同了。事实上，航天飞机上每一部位都是经过反复精心设计和选择特殊材料做成的，然而仍发生了上述惨剧。这一方面说明航天飞机上的某些材料仍有不完美之处，同时也说明在现代科技领域，对材料的性能要求越来越高。不光以上举世瞩目的大事件（人们渴望有朝一日乘坐航天器遨游太空呢），就是日常物件（如建筑物的质量、家用电器的耐用度等），无一不是由各种类型的材料制成的。它们每时每刻都在工作着、作用着，并产生一定的效果（包括预期的良好效果和种种未曾预料的影响甚至事故）。因此材料科学与材料世界就在你的身边、你的周围。
本书的编著者如下：杨瑞成（第一、二、三、四、五章，并负责统稿定稿）、丁旭（第六、七、八、九、十章）和陈奎（第十一、十二、十三、十四章）。傅公维、彭采宇参与了本书的资料收集与整理等工作。对本书的完成有所贡献的还有杨海歌、杨钒、王凯旋、吕学飞、袁晓波、羊海棠等。鉴于作者学识及水平有限，望广大读者和有识之士读后不吝指教。

材料是人类赖以生存和发展的物质基础。本书是以材料学知识为基础，介绍了材料与人类文明的关系、材料科学与工程的基本理论框架，然后具体叙述了材料家族的概况，最后展望了材料的未来及其发展方向。
本书共分14章。将材料科学、材料家族与社会发展、人们的日常生活以及现代高科技紧密结合起来。其内容生动、涵盖面广、面向新世纪，具有较强的可读性与实用性。既适合各相关领域工作者（技术人员和管理人员）及材料爱好者阅读和参考，又可作为高等院校文科及理工科各专业所开设的相关任选课的教本，以扩大知识面。

第一章 材料与人类文明1
 第一节 材料与物质1
 第二节 材料是人类文明的里程碑2
 第三节 材料是社会现代化的物质基础与先导6
 第四节 材料循环：材料、能源、环境8

第二章 新世纪与材料12
 第一节 新世纪的911事件与材料12
 第二节 现代战争武器与材料20
 第三节 新世纪的材料需求与忧患26
 第四节 新世纪材料发展策略与新的材料观31

第三章 材料科学与材料工程38
 第一节 材料科学与工程的兴起与发展38
 第二节 材料科学与工程的内涵和特点40
 第三节 关于材料结构和结构层次43

第四章 工程材料的性能与常用工程材料类型48
 第一节 工程设计制造对材料的性能要求48
 第二节 工程材料的类型51
 第三节 常用工程材料的特征54
 第四节 工程领域选材及用材情况58

第五章 材料科学的基本理论框架62
 第一节 材料电子结构和材料内部的原子间相互作用62
 第二节 材料的原子排列特征66
 第三节 材料中的结构缺陷70
 第四节 材料中的原子扩散73
 第五节 材料的相图与相变75
 第六节 材料的强化与韧化79
第六章 材料的制备、加工与处理88
 第一节 从原料到材料88
 第二节 从材料到零件（零件的工艺路线）95
 第三节 材料的热处理和改性98
 第四节 材料的表面处理101

第七章 材料家族之一：工业材料的“脊梁”--钢铁104
 第一节 钢铁的应用特征和组成104
 第二节 钢铁的生产--钢铁是怎样炼成的106
 第三节 工程材料的主力--钢铁112
 第四节 强中更有强中手--超高强度钢115
 第五节 不锈钢及其他特殊钢117

第八章 材料家族之二--丰富多彩的有色金属121
 第一节 上天用得最多的材料--铝合金121
 第二节 又轻又强的材料--钛合金123
 第三节 最早应用的金属--铜及铜合金125
 第四节 耐热又耐蚀的材料--镍合金126
 第五节 多功能多用途的材料--稀有金属127
 第六节 材料开发的魔水--神奇的稀土元素131

第九章 材料家族之三--古老又年轻的陶瓷材料135
 第一节 陶瓷的组成及性能特点135
 第二节 传承至今的传统陶瓷136
 第三节 高硬度、高耐热、高耐蚀的现代结构陶瓷138
 第四节 身怀绝技的功能陶瓷141

第十章 材料家族之四：多姿多彩的高分子材料世界144
 第一节 发展最快的塑料144
 第二节 多用途的合成纤维与橡胶151
 第三节 方便实用的胶黏剂和涂料155

第十一章 材料家族之五：博采众长的复合材料159
 第一节 高性能要求导致复合材料的兴起159
 第二节 复合材料结构与性能特征162
 第三节 先进复合材料及其应用168
第十二章 新型高性能结构材料172
 第一节 超硬材料172
 第二节 超塑性合金176
 第三节 高温合金178
 第四节 超低温材料181

第十三章 新型高性能功能材料183
 第一节 形状记忆合金183
 第二节 贮氢合金186
 第三节 非晶态合金189
 第四节 海绵金属和“无声”合金192
 第五节 梯度功能材料195
 第六节 生物医学材料198

第十四章 材料的未来201
 第一节 材料发展总趋势与材料设计、科学用材201
 第二节 超导材料203
 第三节 纳米材料207
 第四节 智能材料210
 第五节 生态环境材料213

参考文献218