材料科学基础（Fundamentals of MSE）

材料科学的基石是“结构—热力学—动力学”的统一框架。材料结构与晶体学方面，需要掌握晶体的点阵结构、对称性，以及各种缺陷（点缺陷、位错、晶界等）的性质与作用。这部分知识解释了材料的微观结构如何影响宏观性能，例如掺杂原子如何产生点缺陷从而改变半导体的导电性。材料热力学则涉及吉布斯自由能、相图和相平衡等概念，是理解合金相图、相变驱动力的关键。例如，通过相图可以判断不同元素组成下会形成哪些相及其转变温度。材料动力学关注材料内部发生变化的速率，例如扩散机制、形核与长大过程，以及利用 T-T-T（时间-温度-转变）和 CCT（连续冷却转变）曲线来分析相变速度。这些基础知识点相互关联：热力学告诉我们“可能发生什么”，而动力学决定“在现实时间尺度下是否发生”。这三者共同解释不同材料（金属、陶瓷、高分子、复合材料）性能的来源，并为合金设计、热处理与服役预测建立定量语言。初学者可先学会在具体问题中识别这三根主线，再逐步叠加细节。

参考学习资料

课程

• MITx：Structure of Materials（3.012Sx，三部曲）
  围绕点阵、对称与缺陷构建结构模块，延伸到无序与准晶等拓展主题。课程提供视频、讲义、习题与可视化资源，强调从几何到物理量（应变、能量、扩散通量）的过渡。适合用来搭建“结构→缺陷→扩散”的认知主线。
  链接：https://ocw.mit.edu/courses/3-012sx-structure-of-materials-spring-2019/

• MIT：Thermodynamics and Kinetics of Materials（3.205）
  将溶液理论、相图与相变热力学与扩散、形核/长大等动力学并行讲授，帮助建立“热—动一体化”的问题观。课程配有作业、考试与参考资料，便于系统复现推导与计算。
  链接：https://ocw.mit.edu/courses/3-205-thermodynamics-and-kinetics-of-materials-fall-2006/

• Stanford：E50M Introduction to Materials Science
  以工程实例引入材料分类、晶体结构、相与相变、基础性质测量等主题。课程材料注重直观与应用语境，便于初学者形成全局地图与常用概念清单。
  链接：https://bosp.stanford.edu/explore/florence/academics/e50m-intro-materials-science

• 西北工业大学：材料科学基础（上/下）
  中文综合课，覆盖结构与缺陷、扩散与相变、变形机制与强韧化等内容。课程配有视频课件与题库，适合在中文环境下建立“结构—热—动”的术语体系。
  链接：https://www.icourse163.org/course/NWPU-15001

• MITx：Microstructural Evolution（模块系列）
  以模块化课程讲授缺陷、扩散、界面反应与相变动力学，强调形核—长大—显微组织演化的定量描述。配套讲义和练习题帮助将理论与显微组织图谱对表。
  链接：https://mitxonline.mit.edu/courses/course-v1:MITxT+3.022.4x/

教材

• De Graef & McHenry：《Structure of Materials》（2e, CUP）
  系统讲解晶体学、群论与衍射的基础，连接点阵几何、倒易空间与实验表征。书中配有示意图与练习，作为“结构模块”的主参考十分合适。
  链接：https://www.cambridge.org/9781107005877

• Gaskell & Laughlin：《Introduction to the Thermodynamics of Materials》（7e, CRC）
  材料热力学经典教材，覆盖溶液、相平衡、化学势与相变的系统框架。新版整合了更多实例与练习，适合与课程推导互证。
  链接：https://www.taylorfrancis.com/books/mono/10.1201/9781003375388

• Balluffi, Allen, Carter：《Kinetics of Materials》（Wiley）
  以统一的语言叙述扩散、形核与长大、界面迁移与变形等动力学过程。配有实例与计算题，便于把动力学与显微组织演化联系起来。
  链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/0471749311