宏觀材料學導論

第Ⅰ篇總論1

第1章歷史分析1

1材料與人類社會2
1.1人類超越其他動物的歷史2
1.2新技術革命與材料科技2

2材料學的進化5
2.1實踐5
2.2認知7
2.2.1美國MIT礦冶及材料係名稱的演變7
2.2.2簡論材料7
2.2.3微觀材料學體系的建立歷程11
2.2.4宏觀材料學體系的建立歷程13

第2章邏輯分析16

1概念16
1.1形式邏輯的規則17
1.2辯證邏輯中的概念18
1.3在“材料”中的應用22
1.4在“材料學科”中的應用22
1.4.1定義22
1.4.2材料學的劃分23

2推理23
2.1概述24
2.2第三種推理方法——類比法24
2.3類比法的廣泛應用30案例28
2.4材料學與生物學的類比與交叉29
2.4.1環境29
2.4.2性能30
2.4.3結構31
2.4.4過程和能量32
2.4.5結語32
2.4.6附錄33
2.5應用學科的巨集觀分支33
2.5.1實踐與反思33
2.5.2共鳴和啟示35
2.5.3共性特點37
2.5.4總結和前瞻38

3因果39
3.1引言39
3.2分析39
3.2.1亞氏的應用39
3.2.2亞氏困境和緩解40
3.3結語41

4辯證思維的示例42
4.1引言42
4.2氫對材料的有益作用42
4.2.1氫對材料工藝的影響42
4.2.2氫對材料性能的影響43
4.3陽極溶解的有益作用43
4.3.1浸蝕43
4.3.2化學加工44
4.3.3拋光44
4.4腐蝕廣論46
4.4.1環境46
4.4.2腐蝕廣論47

第3章系統分析49

1系統的定義49

2系統分析50
2.1定義和內容50
2.2作用和重要性51
2.3模型化技術51
2.4最優化技術52

3模型化與結構設計52

4反饋的應用53
4.1概貌53
4.2學術實踐的慎思53
4.2.1合金鋼的研究53
4.2.2斷裂機理的研究54
4.2.3耗散結構理論的啟示55
4.2.4材料微觀現象的新反饋55

第4章簡易材料論57

1引言57

2分論58
2.1性能——一個符號58
2.2結構——一個方程59
2.3環境——五個對待59
2.4過程——三條原理61
2.5能量——八個分析62

3結語63

第Ⅱ篇分論64

第5章引論——書的結構64

1材料學的劃分64
2宏觀材料學的結構65

第6章生態材料67

1歷史回顧67

2邏輯思考68
2.1環境與材料68
2.2發展與增長69
2.3材料的定義和判據70
2.4生態71
2.4.1顧名思義或望文生義71
2.4.2溯源及定義71
2.4.3劃分及引申72
2.5生態材料72
2.6外延和研究領域73
2.6.1環境73
2.6.2人文社科問題74
2.6.3科學技術問題76

3系統分析78
3.1模型化78
3.2最優化79

4未結束語80
4.1可持續發展法則81
4.2廣義生態81

第7章材料經濟84

1引言84

2經濟體制85
2.1基本類型85
2.2我國經濟體制改革歷程86
2.2.1功能87
2.2.2環境88
2.2.3結構90

3經濟學的基本規律92
3.1收益遞減律93
3.2商品價格律94

4材料經濟學97
4.1定義和內容97
4.2物質與信息的流動與循環97
4.2.1物質循環98
4.2.2材料企業的資訊循環和反饋101
4.3材料生產的經濟分析101
4.3.1成本分析101
4.3.2生產要素的最優組合103
4.3.3社會分工的經濟效益104

5結語104

第8章科技法律106

1概述106
1.1邏輯分析106
1.1.1定義106
1.1.2劃分106
1.2系統分析107
1.2.1科技發展對法律的影響108
1.2.2法律對科技發展的影響109
1.2.3科技法律內的系統分析109

2功能109
2.1規範功能109
2.2社會功能111

3結構111
3.1縱向結構112
3.2橫向結構113
3.2.1科技法與民法之間的關係113
3.2.2科技法與行政法之間的關係113
3.2.3科技法與環境法之間的關係114
3.2.4科技法與經濟法之間的關係114
3.2.5科技法內的橫向結構114

4環境115
4.1社會環境116
4.2科技環境117

5過程117
5.1概念117
5.2特點118
5.3兩個階段118
5.3.1第一階段118
5.3.2第二階段119
5.4利益119
5.4.1利益與科技法形成的關係119
5.4.2利益與科技法實施的關係120

6能量121
6.1含義121
6.2作用121

第9章材料科研123

1引言123
2類型124
3選題125

4方法128
4.1系統分析法128
4.1.1尋求韌性最佳的工藝128
4.1.2尋求滿足性能要求的材料和工藝129
4.1.3材料理論問題的研究130
4.2假說法130
4.2.1假說法在形式邏輯中的位置132
4.2.2提出假說的方法134
4.3直覺法及機遇法137

5科研水準137

6評價和管理138
6.1科研效益138
6.2科研效率139

第10章材料教育141

1簡言中國的人才141
1.1定義141
1.2才能141
1.3知識結構142
1.4環境142
1.5過程142
1.6能量143

2初論人文素質教育144
2.1破題144
2.2概念144
2.2.1素質145
2.2.2人文及人文學148
2.2.3人文素質149
2.3人文素質教育149
2.3.1目的和內容149
2.3.2方式與方法150
2.4結語151

3學習論151
3.1引論151
3.2概念152
3.3環境153
3.4目的——提高才能153
3.5內容——知識結構155
3.6方法——學習過程156
3.6.1認真地學156
3.6.2學、思、問的結合156
3.6.3博學之157
3.6.4學以致用157
3.6.5專與博158
3.6.6整理資料158
3.7結語158

第11章材料選用160

1提出問題160

2性能選材法162
2.1使用性能162
2.2工藝性能162
2.2.1淬裂過程162
2.2.2鋼種選擇165
2.3性能遞增選材法165

3成本選材法168
3.1材料成本法168
3.2生產成本法172

4多目標選材法173
4.1問題和目標173
4.2評價技術174
4.2.1分級法174
4.2.2優化法175

5決策論177
5.1概念——決策與問題177
5.2決策技術178
5.3問題的劃分與分析179

6材料的管理180

第12章材料展望182

1引言182

2預測方法182
2.1分類183
2.1.1直觀預測法183
2.1.2探索預測法184
2.1.3目標預測法184
2.1.4反饋預測法185
2.2外推法185
2.3特爾菲法187

3未來材料189
3.1總的趨勢189
3.1.1材料生命曲線189
3.1.2競爭與替代190
3.2傳統材料的改進192
3.2.1調整成分192
3.2.2改進工藝193
3.3新材料的研製195
3.3.1需要與滿足195
3.3.2引進和創新197
【例】納米材料198
(1)哲理198
(2)邏輯思考199
(3)歷史進程200
(4)微觀分析——科技問題201
(5)宏觀控制——市場問題203
(6)現況與展望204
(7)結語204
3.3.3系統和環境205

第Ⅲ篇結論207

第13章結論207

1算計論208
1.1引子208
1.2分析208
1.2.1區別208
1.2.2關係209
1.2.3假算出假計209
1.2.4錯算出錯計210
1.3結語210

2生態論211
2.1自然環境211
2.2社會環境211

3適中論212
3.1破題212
3.2人文思考212
3.2.1哲理212
3.2.2歷史213
3.3社會評價214
3.3.1政治運動214
3.3.2經濟改革的宣傳導向214
3.3.3經濟體制的改革215
3.3.4經濟規模和收益遞減律215
3.4科技分析217
3.4.1數學的極值問題217
3.4.2系統工程的最優化218
3.4.3材料物理問題219
3.4.4功能過剩219
3.5結語220

參考文獻
A肖紀美著或編著的學術著作221
B肖紀美的材料宏觀問題論文222
C其他文獻224
圖目錄227
表目錄231

推薦序

　　作為學生是沒有資格為先生的書作序的，但我有幸成為《宏觀材料學導論》這本書的第一個讀者，讀後頓覺豁然開朗，遂以此文抒發感想並致敬意。

　　《宏觀材料學導論》的結構完全不同於傳統的材料學專著，有著鮮明的時代特色。在我看來，這部著作映射著肖先生長期教學和科研成果的結晶，是60餘年知識和智慧的沉澱。將材料學的原理和應用、理論和實際緊密結合，是肖先生的治學體會，更是材料學的治學方法論。從中我們可以領悟到肖先生強烈的敬業精神、嚴謹的治學態度、精湛的學術造詣，以及在材料科學的發展和材料科學的教育事業中做出的巨大貢獻。

　　數十年來，肖先生博覽中外古今群書，博採眾家之長，將宏觀與微觀結合、自然科學與社會科學結合，創建了別具一格的學術體系。《宏觀材料學導論》就是其中的一部力作。《宏觀材料學導論》以方法論為主線，精闢地論述了材料學中的邏輯思想方法、系統思維方法、簡易材料論的分析方法與歸納方法。此外，又以個論的形式，論述了宏觀材料學的結構及系統的分析方法，內容涉及生態材料、材料經濟、材料科研、材料教育、科技法律及材料的應用。

　　本書主要特色在於，體系新穎，思路獨特。在理論和應用，乃至經濟學和哲學等多方面都有獨到的論述和創見。理論概念嚴謹清楚，深入淺出，可讀性強。豐富的應用事例，學用結合，為讀者提供了一條學習和研究材料的高效方法。多學科的交叉與滲透是本書的又一大特色。肖先生運用了多種學科的原理，提出了各種材料問題的分析方法及共性通則，讀後大有餘味未盡之感，確實是一部難得的具有創新體系的科學著作。

　　我相信，肖先生的這部新作，將給予材料學界和科學界的專家學者以啟發。我同樣相信，本書一定會強有力地推進中國的研究生教育事業的發展，並成為當代材料學科類研究生“宏觀材料學”的入門教材。

　　衷心祝福肖先生健康長壽。

才鴻年

前言

　　“學然後知不足，教然後知困。知不足然後能自反也，知困然後能自強也。故曰：教學相長也。”(【C1】p1521)

　　1943年，著者在唐山交通大學礦冶工程係畢業後，在高中任數理化教師及鋼廠技術員。1948年1月赴美留學，1950年8月獲美國密蘇裡大學冶金學博士，在冶金及機械廠的研究部門工作7年後歸國。1957年至今，在北京科技大學任材料物理教授。一生都在“學”，大部分時間都任“教”；真是“知不足”、“知困”，期望“教學相長也”。

　　在長期教學與科研實踐的基礎上，編著出版了19部著作(見參考文獻A)，深感人生總會有幾次改行，為了適應21世紀的發展需要，必須藉助於廣泛的“類比交叉”。1986年，我在編著的關於材料科學與工程的20小時電視教材——《材料的應用與發展》(【A8】)中，提出“材料學”及“宏觀材料學”、“微觀材料學”，並發表了60餘篇材料宏觀問題方面的論文(見參考文獻B)。

　　簡單回顧人類認知“材料”的歷程，大致可分為如下五個階段：

　　【Ⅰ】微觀材料學
　　(1)性能的測試 P(性能)
　　(2)相關法——P與S的相關關係　　　P←→S(結構)
　　(3)過程法——從Z去理解和控制　　e(環境)→S→Z(過程)→P
　　(4)能量法——E是控制因數
　　(說明見正文) 

　　【Ⅱ】宏觀材料學
　　(5)在社會環境中，“經濟”是控制因數

　　撰著本書是一種新的嘗試，資料也採用新的方式組織。在“前言”之後，分3篇，共13章。

　　第Ⅰ篇總論，計4章。前三章依次運用“分析方法”——歷史、邏輯、系統，從整體上論述“宏觀材料學”的來龍去脈，明確它的定義和劃分，瞭解它的各部分和各部分之間的關係，期望讀者不僅學到宏觀材料學的基本內容，而且能初步理解分析問題的科學方法；第4章嘗試遵循《易傳》所雲的“簡易、變易、不易”三義，總結“微觀材料學”中性能、結構、環境、過程、能量五個命題的18種方法，提出“微觀材料學”的兩個基本方程：

　　P=f(e,S)
　　S=｛E,R｝

　　式中，P、e、S依次為材料的性能、環境和結構，而E是材料中“組元(Element)”的集合，R是組元之間“關係(Relationship)”的集合。這一章名曰“簡易材料論”，與前三章合併，稱為“材料學的方法論”，運用它，不僅可認識材料這類“物”，推而廣之，還有助於分析其他的物、人、事，故稱之為本書的“總論”。

　　第Ⅱ篇分論，從第5至第12章，計8章。第5章在我國1996至2010年的15年大局的兩個基本戰略的指引下，簡介隨後七章之間的關係；第6章以生態材料為例，闡明可持續發展戰略的實施；第7章討論宏觀材料學的核心問題——材料經濟，第8章簡述材料經濟活動的保証——科技法律；第9章的材料科研及第10章的材料教育涉及落實我國第二個戰略——“科教興國”；第11章材料選用及第12章材料展望分別論述材料的現時及未來的問題。

　　第Ⅲ篇結論，僅含第13章，分3節。本章簡單小結前面12章的主要內容之後，依次介

　　紹和平發展時期的處事三論：算計論，生態論，適中論。

　　全書的圖、表以篇計數，如圖Ⅰ.4為第Ⅰ篇第4圖，表Ⅱ.2為第Ⅱ篇第2表，餘類推。方程式、引語、韻言則合併以章計數，如(7.3)為第7章第3式(或引語，或韻言)。注意，不加括號的7.3表示第7章第3節。

　　為了有助於閱讀、選讀、查閱、查覆，本書試採用下列方式：

　　(1)用較詳細的正文、圖、表目錄，替代索引；
　　(2)在每章之首，以斜體字選警句，供重視；
　　(3)在每頁書眉，以短句標明本頁重點；
　　(4)提供較詳細的參考文獻目錄，以便查覆或進一步閱覽。

　　成稿時，回憶70餘年學海拾貝往事，如有所獲，要特別感謝師友們的指點和幫助，老伴洪鏡純在國內外的風雨同舟。

　　本書初探，如有謬誤，敬請批評指正。

肖紀美