材料工程基础（Engineering Fundamentals）

材料科学的研究成果最终要应用于工程实践，因此还需要掌握工程材料选型与设计、制造加工工艺及质量可靠性等方面的基础知识。

工程语境下，需要把“材料—结构—工艺—质量—成本”联成一个闭环。材料选择依赖明确功能需求与约束（强度、导热、耐蚀、质量、价格等），常借助材料属性图与性能指标进行权衡；制造与加工过程（铸造、锻造、焊接、切削、粉末冶金、聚合物成形等）决定显微组织与残余应力，从而影响服役性能；统计过程控制与可靠性工程则用来把关批量生产的一致性与失效预防。传热/传质/流体、连续介质力学与数值计算提供定量化的建模语言，使“工艺—组织—性能（PSP）链”可以被预测与优化。

首先，在材料选择与设计方面，工程师通常采用系统的方法，根据需求、约束和目标来选定合适的材料。Michael Ashby 提出的材料选择图就是常用工具之一，它将材料性能以坐标图呈现，方便进行不同材料的性能比较和权衡。例如，对于设计一个轻量化部件，可以用 Ashby 图将杨氏模量对密度作图，从中找到兼具高刚度和低密度的材料（如铝合金或碳纤维复合材料）。在这个过程中，需明确设计约束（如工作温度、最大应力、成本上限）和优化目标（如最小重量、最高强度）。只有充分考虑多重因素，才能做出合理的材料决策。此外，选材时还要顾及材料的可加工性和可获得性，这往往决定了设计能否顺利转化为产品。

其次，了解典型工程制备与加工工艺是必不可少的。传统的金属加工工艺包括铸造、锻造、轧制、焊接、粉末冶金以及机加工（铣削、车削等）。铸造适于制造复杂形状的零件，而锻造通过锤击/挤压使金属产生塑性流动，能够 保持金属的纤维组织连续性并消除内部缺陷，因此锻件通常具有更高的强度和韧性。例如，锻造保持了金属晶粒的纤维取向，让零件在承力方向上具有更好的抗裂性能。与此同时，现代制造中出现了许多先进工艺：增材制造（3D 打印）可以通过逐层堆积材料来制作传统工艺无法实现的复杂结构；微纳制造技术则能构筑微米乃至纳米级的精细结构，用于电子器件和MEMS制造；超快激光加工等新技术也为材料加工提供了全新的可能性。这些古老与现代工艺并存的局面正如一篇综述所言：“从延续数千年的锻造、铸造等工艺，到数字控制的增材制造与数控机加工，人类现今拥有种类繁多的金属加工手段。学习者应理解各类工艺的原理、适用范围，以及它们对材料组织和性能的影响（例如热处理可以强化金属材料，3D 打印中的快速冷却会影响晶粒尺寸等）。

最后，质量控制与可靠性工程知识对于材料批量生产和工程应用至关重要。在制造过程中引入统计过程控制（SPC）等方法，可以通过对生产过程的持续监测来确保产品质量的一致性和工艺的稳定。SPC 的理念是利用统计学工具监控加工误差，使过程保持在可控状态，从而提高良品率并减少变异。此外，工程上还强调可制造性设计（DFM），即在产品设计阶段就考虑制造过程的限制，避免采用难以加工的结构或材料，以降低成本和提升可靠性。同样重要的还有失效模式分析和可靠性测试，通过加速寿命试验、断口分析等手段预判材料/零件可能的失效方式（如疲劳断裂、蠕变失效等），进而改进设计或工艺。综合这些工程基础知识，材料工程师才能在满足性能要求的同时，确保材料及其制品在实际生产和服役中的可靠性和一致性。

参考学习资料

课程（传热 / 流体 / 数值 / FEM）

• MIT 2.51 Intermediate Heat and Mass Transfer
  覆盖非稳态导热、层流/湍流对流、两相传热与扩散/对流耦合等主题。课程条目清晰、附有作业与参考资料，便于把传输现象的控制方程与近似方法迁移到材料/加工问题。
  链接：https://ocw.mit.edu/courses/2-51-intermediate-heat-and-mass-transfer-fall-2008/

• UMich：The Finite Element Method for Problems in Physics（Coursera）
  以变分原理为起点推导 FEM 的弱形式与离散实现，结合热传导、弹性与流动等典型物理问题。课程兼顾理论与编程实践，适合构建“从 PDE 到数值解”的基本素养。
  链接：https://www.coursera.org/learn/finite-element-method

• ETH Zürich：Fluid Dynamics（视频门户）
  全学期课程覆盖守恒律、层流与边界层、湍流入门与数值方法初步。视频与讲义同步，适合与传热与加工中涉及的流动—传热耦合问题对照。
  链接：https://video.ethz.ch/lectures/d-mavt/2024/spring/151-0120-00L.html

• MIT 2.086 Numerical Computation for Mechanical Engineers
  总览工程数值方法（插值与逼近、常微分与偏微分方程数值解、稳定性与误差分析）。课程资料包含编程作业与范例，帮助建立从模型到计算结果的可复现实践。
  链接：https://ocw.mit.edu/courses/2-086-numerical-computation-for-mechanical-engineers-fall-2012/

课程（制造 / 加工 / 质量）

• 合肥工业大学：材料成形技术基础
  中文课程，系统介绍工程材料与热处理、铸锻焊、粉末冶金、聚合物与陶瓷成形等单元。配有课件与在线测验，适合作为了解主要制造门类与基本物理的入口。
  链接：https://www.icourse163.org/learn/HFUT-1452936169

综述 / 教程

• Annual Review：Thermal Boundary Conductance（2016）
  从材料视角总结界面热阻的理论模型（声学失配、扩展德拜等）与实验测量方法（TDTR、3ω 等）。文章给出影响因素与工程调控思路，对热管理与界面工程设计有直接指导意义。
  链接：https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-matsci-070115-031719

• Heat and Mass Transfer in Materials Processing（Advances in Heat Transfer, 2016）
  概述材料加工中的传热/传质机理与建模范式，涵盖凝固、烧结、变形加工等典型过程。文字偏技术细节，便于把《传输现象》的通用方法落地到具体工艺。
  链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0065271716300053

教材

• Bird, Stewart & Lightfoot：《Transport Phenomena》（3e, Wiley）
  以统一框架阐述动量、热量与质量传递，推导严谨、案例丰富。常作工程热—流—质的母书，可与各类加工/传输问题相互印证。
  链接：https://www.wiley.com/en-us/Transport+Phenomena%2C+3rd+Edition-p-9781119013495

• Incropera：《Fundamentals of Heat and Mass Transfer》（8e）
  工程传热经典教材，覆盖导热、对流、辐射、相变与换热器设计，练习与图表充足。适合建立“工程量—近似—计算”的直觉。
  链接：https://www.wiley.com/en-us/Fundamentals+of+Heat+and+Mass+Transfer%2C+8th+Edition-p-9781119722489

• Bower：《Applied Mechanics of Solids》（在线免费版）
  连续介质力学与弹塑性、断裂的统一叙事，并讨论数值实现与示例。可作为进行 FEM 与失效分析前的力学底座。
  链接：https://solidmechanics.org/

• Ashby：《Materials Selection in Mechanical Design（4e）》
  以材料属性图与性能指标构建选材的定量方法，涵盖制造与可持续性等实际约束。适合作为建立“需求—指标—候选集—权衡”的框架读物。
  链接：https://www.elsevier.com/books/materials-selection-in-mechanical-design/ashby/978-1-85617-663-7