1 “材料”的概念
1.1“材料”概述
材料是人类物质文明和技术进步的重要支柱。然而，目前在科学界并没有针对“材料”作出一个科学的、统一的定义。在涉及到“材料”的有关科技辞典、技术手册和百科全书中，关于“材料”这一概念也是各自表述而不尽相同。
本教材作者在经过查阅大量的相关资料(也包括一些网络资料)后发现，迄今，关于“材料”的表述主要有如下几种：
（1）“材料是物质，但不是所有物质都称为材料，例如，燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。但是，这个定义并不那么严格，……”；
（2）“有用的物质都可以称之为材料”；
（3）“可供制造其他东西的物质是材料”；
（4）“材料是可以直接制成成品的东西”；
（5）“材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质”；
（6）“材料具有特定的性质，能用于制造结构、构件、机器、仪器和器件及各种产品的物质”；
（7）“材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质”；
（8）“材料是物质被人类赋予用途的别名”；
（9）“材料是人类赖以生存和发展的物质基础”；
（10）“材料总是和一定的使用场合相联系，可由一种或若干种物质构成”；
（11）“材料与信息、能源被誉为当代文明的三大支柱”；
（12）“新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志”；
（13）“材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关”；
（14）“材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。由于材料的多种多样， 分类方法也就没有一个统一标准”；
（15）“同一种物质，由于制备方法或加工方法不同， 可成为用途迥异的不同类型和性质的材料”。
由此可见，目前关于“材料”概念的表述，都是针对其“用途”或者其“作用”或者其社会“地位”的。在高等教育材料科学与工程类相关学科专业的教学过程中，如果使用以上这些表述来理解“材料”的话，则会感到很笼统。若按照这些说法，则很难从教学角度来将“材料”的本质表达清楚、阐述透彻和解释深刻。
1.2 探究“材”与“料”
为了能够从教学的角度来弄清“材料”的本质，本教材作者便从构词法出发来寻求 “材料”的根本之所在，即从构成“材料”这两个字的本源(“材”字与“料”字)来探究关于“材料”本质的表述。为此，本教材作者查阅了相关的汉语字典或汉语词典[例如，《漢語大字典(缩印本)》(1992年繁体字版)、《现代汉语词典》(2012年版)、《汉语词典》(2013年版)]。
关于【材】字，在“汉语字典”和“汉语词典”上有很多词条，为此，本教材作者优选了其中几个与“材料”概念有关联的词条为：
（1）木材，可用之具。 《说文·木部》 ：“材，木梃也。从木，才聲”。 《集韻·代韻》：“材，材具也”。清人段玉裁《说文解字注·木部》：“材，引申之義，凡可用之具皆曰材”。
（2）使用。《吕氏春秋·異用》：“故聖人之於物也無不材”。东汉人高诱注：“材，用也”。
（3）果实。《周禮·地宫·委人》 ：“委人掌斂野之賦，斂薪芻，凡疏材木材，凡畜聚之物野，逺郊以”。东汉人郑玄注：“乃疏材，草木有實也”。唐人賈公彦疏：“疏是草之實，材是木之實。故鄭並言之”。
（4）与“才”字通用：
① 才能，才艺。《書·成有一德》：“任官惟賢材，左右惟其人”。
② 有才能的人。《論衡·自纪》：“任官惟賢徒，不泛结俗材”。
③ 资质，能力。例如，因材施教。《禮记·中庸》：“故天之物，必因材而篤焉”。东汉人郑玄注“材，谓其質性也”。
（5）同“裁”，裁处，安排，制造。《荀子·富国》 ：“治万变，材万物，养万民”。唐人杨倞注“材与裁同”。
因此，本教材作者认为，关于“材料”中【材】字的含义是“有用之物”，即有用的“样品或产品”。同时，又隐含“制备、加工”之意。其理由如下：
（1）在第1个词条中，实际上就指出了“材”字为有用之具。在现代汉语中，这里的“具”指产品，“有用之具”也就是——有用的“产品”。实际上在第3个词条中，实际上也明确了“产品”这个意思，即古人所说的“果实”。在第二个词条中的“材，用也”这个注释也明确了“材”字所包含的“有用”之意。
（2）在第4个词条中，认为在古代汉语中，“材”字与“才”字是不加以区分的。然而，在现在汉语中，这两个字却是有所区分的，“材”字是指“有用之物”，例如，木材、钢材、铝材、石材、砖材、教材、耗材、食材，等；“才”字则是指“有用之人”，例如，人才、才能、才智、才艺、才气、才干、才识，等。尽管在现代汉语中，“材”字与“才”字有区别，但是由于它们同“源”，所以，彼此之间应该存在着对应关系。为此，这里做进一步延伸，即可否作出这样的推测：在上述第4个词条中：
① 人们的才能(才艺)对应着材料的性能(功能)；
② 有才能的人对应着有用的材料产品；
③ 人们的资质、能力对应着材料产品的性能是否合格、是否达标。
（3）在第五个词条中，实质隐含了古代汉语中的“材”字可以作为动词，意思类似于现代汉语中的材料“制备”或“加工”。
关于【料】字，在“汉语字典”和“汉语词典”中也有很多词条，本教材作者优选了其中几个与“材料”概念有关联的词条为：
（1）可供制造的物质， 可以制成具体东西的物质。 《朱子语数》卷四：“若木生于山，取之，或贵为栋梁，或贱而为厕料”。
（2）可供饮食的物质，例如：食料、饮料、料酒、料豆、作料(例如，饲料、马料)，等。
（3）料器(料货，一种人造的半透明物质，常用来充当珠子、玉、翡翠)。
（4）所用材料的分剂，例如，单料、双料、合一料药，等。
（5）整理，处理。《广雅·释诂》：“料，理也”。
（6）挑选，择别，清理，检查，例如，料简。
（7）计数，核计，例如，料民(人口普查)。
（8）估计，推测，预见，预知，期望。
（9）将来的“成材之人”，俗谓：某人是这块料。
因此，本教材作者认为，关于“材料”中【料】字的含义是“可塑之物”(意为：可制备之物、可加工之物)，也就是可以用于制成有用之物的“原料”。同时，又隐含“制备、加工以及挑选若干原料”之意。其理由如下：
（1）在第1个词条中，实际上就指出了“料”字为可供制造的物质，也就是“有待制备、加工的物质”。
（2）第2个词条中，所说的也是“有待制备、加工的物质”之意，只是它们适用于餐饮业、农业与畜牧业，而不是“材料”领域。
（3）在第3个词条中，所说的“料器”，以下将会作更详细的叙述。
（4）在第9个词条中，可以理解为“可塑造之人”，这与“可塑之物”有异曲同工之处。
（5）在第5个词条中，可以理解为：对原料进行制备、加工。
（6）在第4、6、7、8个词条中，实质上是指制成某种优质材料需要定量地挑选几种原料。
1.3 探究材料的本质
通过上述对于“材”字与“料”字的探究，可以知道，材料中的“料”字意为“可塑之物”，即可以用于制成有用之物的“原料”。同时，又隐含着“制备、加工以及挑选若干原料”之意。材料中的“材”字意为“有用之物”，即有用的“样品或产品”。同时，又隐含“制备、加工”之意。
若将这段叙述进行归纳总结，则可作如下表述：
【料】→ 定量地挑选若干种原料，然后配制好，再准备制备、加工。
【材】→ 将配制好的原料经过制备、加工而成为有用的产品(或样品)。
注：① 样品一般是在实验室通过制备加工而得到的(也称：试样)，或者是在试生产时得到的，或者是专门定制的。
② (最常见的)材料则是通过正式生产过程而获得的。
③ 规模化的制备、加工过程被称为 “生产过程”。
由此来看，对于材料的本质可以这样理解：(合理配比的)优选原料通过人们控制的制备与加工过程而得到的那些具有专门用途的物质。
材料通常以制品（Product Body）、元件（Device）、器件（Component）等形式来呈现。材料被人类用于制造各种建筑物、设施、机器、装备、器具等能够被人们直接使用的各种物品。当今，材料的应用已经渗透到人类社会的各个领域、各个方面。或者说，材料构成了现代社会科技发展与文明进步的物质基础。
1.4 材料本质的拓展
如果从“可塑之物”与“有用之物”的角度来探讨“材料”的本质，不仅能够将材料科学与工程领域中“材料”的本质阐述清楚，而且对于其他领域那些使用或借用“材料”概念的表述，也能够解释清楚，这方面的实例有：废料、料器、文字材料(人事材料、证明材料，档案材料等)、资料、素材。
为此，可作以下简单的分析：按照以上所述，人们可以这样简单地理解“材料”，料(可塑之物)、制(制备、加工)、材(有用之物)构成了“材料”概念的核心，这三条是缺一不可。例如：
① 有“料”、有“制”，但没有用的物质，只能叫做“废料”而不能称为“材料”。
② 有用但没有经过制备的物质不叫做“材料”，例如，自然界中的空气、水都是对人类很有用，甚至是必不可少的物质，但是它们没有经过人为的制备过程，所以通常不属于材料范畴。
③ 料器通常是考古界的术语，可以将它理解为“半材料”：有“料”、有制备、加工、成型(“器”即为成型后的器具)，但是，在有用的方面，略差一点(料器在仿制宝珠、玉石、玛瑙等方面名震四方)。
④ 文字材料是指将原始的文字资料经过整理加工后而得到的有用文字稿。由于上述“料、制、材”这三条都有，所以，将其称之为材料也是名副其实的。
⑤“资”字是指“购买后通过再加工可以升值”，由此推断，资料之意就是“购买后，通过再加工，可以得到升值的稿件”。
⑥ “素材”之意，是指“未经加工的有用之物”，实为“料”，所以也有“素料”之称。
1.5 材料的分类
材料多种多样，因此，材料的分类方法也就没有统一的标准。
对于高等教育材料类专业的学科建设与教学活动而言，人们通常采用按照材料的物理化学属性来进行分类的方法，可具体划分为：金属材料、无机非金属材料、(有机)高分子材料以及(不同类型材料组成的)复合材料。本教材正是为无机非金属材料服务的。
当然，按照上述的材料本质，材料有其专门的用途。所以，对于材料领域的科研活动与工程实践而言，人们更喜欢采用按照材料的用途来对其分类的方法，例如，建筑材料、结构材料、功能材料、电子材料、军工材料、民用材料、航空航天材料、核材料、能源材料、生物材料，等。
1.6 有关材料的几个重要概念
有关材料的几个重要概念分别是：组成与成分；结构与组织；性质、性能与功能。
（1）组成与成分
“组成”与“成分”，属于同一类概念。
材料组成，是更广泛的术语，它包括了材料的化学组成、矿物组成与相组成等。
材料成分，则要更具体一些，往往包括了材料各个组分的具体含量。
（2）结构与组织
“结构”与“组织”是同一类概念。
材料结构，是更广泛的术语，在材料中，相、组织、缺陷、单体、大分子链等都属于材料的结构要素。按照尺度来划分，材料结构包括：原子内结构(Subatomic Structure)、原子层面结构(Structure on Atomic Level)、显微结构(Microscopic Structure)、宏观结构(Macroscopic Structure，该结构是肉眼可以观察到的结构，又分细结构与粗结构)。
材料组织，是指：借助于显微镜所观察到的材料组成与形貌，所以也常称为：显微组织。
（3）性质、性能与功能
“性质”、“性能”与“功能”属于同一类概念。
材料性质，是指：材料对于外界刺激(External Stimuli)作出响应(Response)的能力。材料性质有三个方面：物理性质、化学性质与生物性质，只是材料的物理性质通常又分为多个具体的性质，所以，人们一般将材料的性质分为7个大类：力学性质、光学性质、电学性质、磁学性质、热学性质、化学性质、生物性质。
材料性能，是指那些能够展示材料具体用途的特定材料性质(例如，普通水泥的用途是在工程应用时发挥强度，因此它的性能主要是力学性质；玻璃的主要用途除了需要强度以外，还要透明，因此，力学性质与光学性质都是玻璃的性能；保温材料的用途是隔热、保温，因此，热学性质是其主要性能)。
材料功能，属于材料性能，是指材料性能中除了力学性能以外的其他性能。材料的功能，在英语中被称为Function。这也就是为什么“新型无机非金属材料”又被分为“结构材料”与“功能材料”这两大类材料的根本原因。
注：关于材料性能，还有“效能”的概念。因为材料性能的发挥与使用条件有关，于是有人提出了“材料效能”的概念，以表征材料在使用条件下的性能，这也体现了材料在服役期间的具体表现，所以，又叫做：服役效能。在英语中，这个概念对应的单词是Performance。当然，有时也将这个单词翻译为材料性能(例如，高性能混凝土High Performance Concrete，缩写HPC)。
2 Material的概念
在英语中，材料所对应的单词为Material。为此，本教材作者查阅有关的英语字典和英语词典[例如，《韦氏美语学习词典》(1998年版)、《朗文当代英语辞典》(2004年版)、《新牛津英汉双解大词典》(2007年版)]后发现，在英语字典中，对于自然科学中Material的解释则较为统一，其常用的表述为substances of which something is composed or made(其他表述与之类似，只是语法略有改变)。这段英语，读起来与理解起来都较为生涩，以至于在英汉双解字典中将这段英语直接翻译为材料。如果直接翻译，这段英语的大意是“材料是能够构成器具的物质或能够制造器具的物质”。
由此可知，英语中关于Material的解释与汉语中对于“材料”概念的某些解释一样，都比较笼统。为此，本教材作者也是不得不从构词法出发，来理解Material的本质。
按照英语的构词法，英语单词Material是由前缀Mater-与后缀-rial所组成。在表示“材料”这个意思时，作者认为，前缀Mater-对应着“料”字(原料)，而后缀-rial则对应着“材”字(有用)。其理由如下：
前缀Mater-，有两个来源 —— Mater与Matter。
其一，Mater指母系(古代英语中Mater 就是现代英语中Mother)，也就是含有come from 或source之意(即隐含raw之意)。
其二，Matter是指物质(也隐含raw之意)。
由此可见，无论是哪一个来源，前缀Mater-都有“料”(原料)之意。若再进一步说，如果将Mater与Matter相加，那么，其汉语就意味着“源物质 = 原料 = 料”，其英语意味着“source matter = raw material”。
后缀-rial，来源于三个变体。
其一来源于Riyal或Rial[阿拉伯语](现在，Riyal仍是沙特阿拉伯等国的货币单位，Rial仍是伊朗等国的货币单位)；
其二来源于real[西班牙语(皇家的)]或[英语(真实的)]；
其三来源于Royal[英语(皇家的)]。
由此看来，无论是哪一种变体，后缀-rial都有表示“有用”之意。
从上述的构词法分析来看，我们不得不佩服我们的先辈在将Material翻译为“材料”时所展现的聪明与才智。
3 “材料科学与工程”的概念
材料是很早就存在的名词。但是“材料科学(Material Science)”概念的形成则是20世纪60年代初期的事情。尽管这个概念的提出是在“冷战”时期由美苏在航天领域的争霸所促成，但是这个概念却很科学。它来源于之前的金属冶金学、硅酸盐材料学、高分子材料学。它是把各类材料统一考虑以后，将材料整体作为自然科学的一个重要分支。这是材料领域发展的一次质变。事实上，在“材料科学”的概念形成后，便促使不同材料领域相互借鉴、取长补短、协同发展，从而使得复合材料领域得到了繁荣发展。
在学科建设方面，“材料科学”概念的形成也是促进了固体物理、无机化学、有机化学与物理化学等学科的发展，从而推动人们对物质结构及其物理化学性质的深入研究，这又使得人们对材料本质的了解更加深入，对于材料自身性能的研究更加增强。
后来，考虑到材料工程应用的重要性，于是，在“材料科学”的概念中增加了工程，叫做：材料科学与工程(Material Science and Engineering，缩写MSE)。当然，也有人将这一概念叫做：材料科学与技术(Material Science and Technology，缩写MST)。当然，前一个称谓的使用范围更为广泛，即获得了材料界的普遍共识。无论如何，它们都表明材料科学与工程技术相互依存，不能断然地分开，尤其是随着新材料的发展以及社会对传统材料要求的日益提高，材料制备新技术或工艺流程的研发显得格外重要，否则，材料也难以达到工程使用的新要求。
材料科学与工程已经成为国内各个高校在学院名称、专业设置、教学内容、科学研究等方面的重要标志。
诚然，材料科学与工程是一个大学科，是一个整体，然而，从字面上来，它是由两部分组成——材料科学与材料工程。那么，它们之间又有没有一些区别与不同呢？要说清楚这个问题，则需借助于上述有关“材料”的几个重要概念。
材料科学是从基础科学的角度来认识与研究材料。材料科学主要是研究材料的“成分·结构·性质”之间的关系以及怎样通过制备(成分组合或者结构变化)来改变材料性质 (例如，在【材料科学基础】课程中，“相图”部分是关于材料成分的；“晶体结构”部分是关于材料微观结构的；其他部分内容则与材料性质、材料性质改变或者材料制备有关)。总而言之，材料科学研究之目的就是来理顺具体材料的成分、结构与性能之间的关系，从而为材料工程打下可靠的理论基础。
材料工程是从工程技术的角度来认识与研究材料，它以材料科学的研究成果为基础，秉承“材料的成分与结构决定着材料性能”这一理念。材料工程注重的是材料的工程实践。如果说材料的“成分·结构·性质”是材料科学的三大核心要素，那么，材料工程的三大核心要素则是：(材料)生产、(材料)选择与(材料)应用。
关于材料生产(规模化的材料制备加工过程叫做材料生产过程)，其要点是：原料提供(优质的)成分，制备(优化地)改变结构，产品获得(优异的)性能。材料生产除了要确保产品性能绝对可靠以外，还需要注意：降低生产成本、节约天然资源、重视节能减排、注重环境保护。
关于材料选择，则需要坚持“性能优先、按需用材、物尽所用、取长补短、杜绝浪费”的原则。
关于材料应用，这是生产材料的根本目的，材料应用于各行各业(大的到巨型构筑物，小的到微小元器件)。材料应用除了“要与材料的具体用途相匹配”以外，还要重视材料的安全服役期与循环利用率，以延长材料使用寿命(材料的耐久性)与循环利用率(循环经济与生态效应)。
综合所述，材料工程研究之目的就是来优化具体材料的全寿命周期(生产—优选—服役—再生)，从而为各种材料找到最适合的用途。
当然，尽管材料科学与材料工程是有所分工、有所区别，然而，它们又相互补充、相互协力，从而构成“材料科学与工程”的完备体系。所以说，材料科学与材料工程之间并没有一个明显的实际分界线，它们可以视为一个整体。如果将材料科学与工程学科及其三大支柱绘制为一个图的话，则如图1所示。
图1 材料科学与工程学科及其三大支柱
4 材料科学与工程的基本要素
关于材料科学与工程所包含的基本要素，现在并没有统一的答案。
在《中国材料工程大典 · 第1卷 材料工程基础》(主编：师昌绪、钟群鹏、李成功，2006年版)中，对于材料科学与工程中所包含的基本要素(Basic elements)，师昌绪先生首先提出了一个四面体(Tetrahedron)模型，然后又提出了一个六面体(Hexahedron)模型，分别如图2和图3所示。
在如图2所示的四面体模型中，材料科学与工程所包含的4个基本要素为：成分/结构(Composition/Structure)、合成/制备(Synthesis/Processing)、性质(Properties)和效能(Performance，或称：服役效能)。
在如图3所示的六面体模型中，材料科学与工程所包含的5个基本要素为：成分(Composition)、合成/制备(Synthesis/processing)、组织/结构(Structure)、性质(Properties)和效能(Performance，或称：服役效能)。
图2 材料科学与工程的基本要素(四面体模型)
图3 材料科学与工程的基本要素(六面体模型)
但是，在大多数其他文献中，尽管大都认可材料科学与工程包括有4大基本要素，但其具体内容却各不相同。现将几种常见的说法列举如下：
（1）成分、工艺、组织、性能
虽然上述说法是各不相同，然而，我们可以对它们进行归纳和总结，从而得到(便于教学、便于理解、便于记忆的)材料科学与工程的“三要素”。
正如上述“有关材料的几个重要概念”时所归类的那样，组成与成分属于一类；结构与组织属于一类；性质、性能、功能属于一类。于是，便可将上述有关要素的具体内容进行分类与归纳为如下几个要素：
（1）组成与成分为一类，简称：成分
（2）组织与结构为一类，简称：结构
（3）工艺、合成、加工、生产过程、工艺、生产等可表述为一类，简称：制备
（4）性质、性能、效能(使用性能)、使用状况、应用等可表述为一类，简称：性能
关于材料科学与工程，在完成上述分类与归纳以后，还要认识到如下事实：原料提供成分、制备改变结构、材料拥有性能。
继而，以“料”字代表“原料”，以“制”字代表“制备”，以“材”字代表“材料”.
这样，就可以用“料”、“制”、“材”这三个字来代表材料科学与工程的“要素”。
简单的这三个字，既简单易记，又符合中国古人所云“一生二，二生三，三生万物”之哲理。
5 材料工程的宗旨
关于材料、关于材料领域、关于材料工程，正像有的材料专家所说的那样，它的宗旨就是“料要成材，材要成器，器要获利”。
这个宗旨所表述的就是：原料通过“制备”要成为合格的材料，材料经过“加工”要成为有用的产品(制品或者元器件)，产品利用“性能”要找到市场而获得利润(效能获得市场、品质确保市场、产量增加利润、节能降低成本，环保有利社会)。
