材料的力学性能 第4版

第4版前言

《材料的力学性能》作为高等学校材料类各专业的教材，自2005年出版以来，得到了广大读者，尤其是兄弟院校同仁们的厚爱，被选为教材或参考书。2007年修订出版了第2版。2012年本教材先后入选辽宁省规划教材、*首批“十二五”普通高等教育本科规划教材。2014年修订出版了第3版，第3版教材2019年获冶金类优秀教材（本科院校组）一等奖。此间多次付印，累计发行已近两万册，在此谨向给予本教材厚爱的读者及同仁表示衷心的谢意。本次除修订了前三版中的疏漏、增补了部分图解外，增加了相关领域的研究动向、更新了相关的试验标准；补充了部分思考题，并给出了相应的解答要点，以帮助读者加深对内容的理解。

本次修订的另一个重大变化是升级为数字化新形态教材。教材给出了与相应内容配套的教学讲解视频，对重点和难点内容进行了授课式讲解，方便即时自学。目录后给出了教学视频资料的明细，教学视频的二维码放置在各章节相应的标题处，读者可以方便地扫描二维码播放视频。此外，编者在中国大学MOOC爱课程网站开设了与本教材相应的在线课程，读者亦可参与学习。

本次修订由王磊（第1章、第4章、第6章）、张滨（第2章、第3章）、杜林秀（第5章、第7章）、崔彤（第8章、第9章）执笔，思考题与解答要点及附录由宋秀统一整理，全书由王磊任主编。本次出版得到了东北大学的资助；化学工业出版社和东北大学出版社的有关人员为本书的出版做了大量的工作,在此一并表示谢忱。由于作者的水平所限，即使经过本次修订，不妥之处仍在所难免，恳请读者指正。

编者

2022年1月

第1版前言

本书是根据我国高等理工科院校材料科学与工程专业的教学需要编写的。在教学计划中，材料的力学性能是一门专业必修课。从学科角度讲，材料的力学性能主要研究力或力与其他外界条件共同作用下材料的变形和断裂的本质及其基本规律。其目的在于研究各种力学性能指标的物理意义、各种条件的影响及其变化规律，从而为从材料的设计、制备出发，研制新材料、改进或创新工艺提供依据；为机械设计和制造过程中正确选择与合理使用各种材料指明方向，并为机器零件或构件的失效分析奠定一定基础。

本书是考虑到在修完“材料科学基础”以及“工程力学”的基础上，为进一步增加材料科学与工程专业有关结构材料的知识而编写的。力求将材料力学行为的微观(实际为细观)物理本质与力学行为的宏观规律有机结合，既强调材料力学性能的基本概念，又尽可能介绍与本学科相关的一些新成就。全书共分8章。第1章、第2章主要介绍材料的弹性变形、塑性变形及形变强化的基本原理，着重讨论各种力学指标的物理意义及其与组织结构的关系。第3章详细介绍了材料的强化与韧化知识，是本书的特色所在。第4章、第5章介绍了有关材料的断裂与断裂韧性问题，以使读者对材料由加载至失效有一个全面的认识。应该说，前5章是本书的基础部分，也是教学之重点。第6章、第7章、第8章介绍材料在特定加载方式或外界环境下的力学行为， 即第6章材料的疲劳、第7章高温及环境下的材料力学性能、第8章材料的磨损和接触疲劳。本书可作为40学时课程的教材，讲授时可依据不同专业的要求，讲授一部分，其余留给学生自学。

本书由张滨(第1章、第2章)、王磊(第3章、第5章)、杜林秀(第4章、第6章)、崔彤(第7章、第8章)执笔编写，全书由王磊任主编。在编写中作者曾参考和引用了一些单位及作者的资料、研究成果和图片，在此谨致谢意。本书的出版得到了东北大学的资助；东北大学出版社的有关人员为本书的出版做了大量的工作，这里一并表示谢忱。

由于编者学术水平和客观条件所限，书中难免存在疏漏和不妥之处，诚恳希望读者批评指正。

王磊

2005年5月

《材料的力学性能》(第4 版) 是“十二五” 普通高等教育本科规划教材。全书共分9 章, 第1章为绪言。第2 章、第3 章主要介绍材料的弹性变形、塑性变形及形变强化的基本原理, 着重讨论各种力学指标的物理意义及其与组织结构的关系。第4 章详细介绍了材料的强化与韧化知识, 是本书的特色所在。第5 章、第6 章介绍了有关材料的断裂与断裂韧性问题, 以使读者对材料由加载至失效有一个全面的认识。应该说, 前6 章是本书的基础部分, 也是教学之重点。第7~9 章介绍材料在特定加载方式或外界环境下的力学行为, 即第7 章材料的疲劳、第8 章高温及环境下的材料力学性能、第9 章材料的磨损和接触疲劳。

本教材将传统的金属、陶瓷、高分子等三大材料以及复合材料有机地融为一体, 将材料力学行为的微细观物理本质与力学行为的宏观规律有机结合, 既强调材料强度与韧性的经典理论, 又结合实际应用介绍本学科相关的一些新成就。

教材各章给出了思考题和相关的参考文献, 这对于学员巩固所学知识、深入思考材料力学行为问题具有参考价值。

第4 版升级为新形态教材, 书中给出了各部分内容配套的完整教学视频, 可扫描二维码通过视频学习。

本书可作为高等学校材料类各专业的教学用书。

《材料的力学性能》(第4 版) 是“十二五” 普通高等教育本科规划教材。全书共分9 章, 第1章为绪言。第2 章、第3 章主要介绍材料的弹性变形、塑性变形及形变强化的基本原理, 着重讨论各种力学指标的物理意义及其与组织结构的关系。第4 章详细介绍了材料的强化与韧化知识, 是本书的特色所在。第5 章、第6 章介绍了有关材料的断裂与断裂韧性问题, 以使读者对材料由加载至失效有一个全面的认识。应该说, 前6 章是本书的基础部分, 也是教学之重点。第7~9 章介绍材料在特定加载方式或外界环境下的力学行为, 即第7 章材料的疲劳、第8 章高温及环境下的材料力学性能、第9 章材料的磨损和接触疲劳。

本教材将传统的金属、陶瓷、高分子等三大材料以及复合材料有机地融为一体, 将材料力学行为的微细观物理本质与力学行为的宏观规律有机结合, 既强调材料强度与韧性的经典理论, 又结合实际应用介绍本学科相关的一些新成就。

教材各章给出了思考题和相关的参考文献, 这对于学员巩固所学知识、深入思考材料力学行为问题具有参考价值。

第4 版升级为新形态教材, 书中给出了各部分内容配套的完整教学视频, 可扫描二维码通过视频学习。

本书可作为高等学校材料类各专业的教学用书。

1绪言 Introduction1

1.1材料在人类历史中的作用及发展趋势(Role and Developing Trend of Materials in the Human History)2

1.2各种材料的特性(Characteristics of Various Materials)3

1.3结构材料的损伤与断裂(Damage and Fracture of Structural Materials)4

1.4材料的安全评价与断裂力学的发展(Safety Evaluation and Development of Fracture Mechanics of Materials)6

1.5本书的构成(Consists of the Book)9

参考文献10

思考题10

2材料在静载荷下的力学性能Mechanical Properties of Materials Under Static Loads11

2.1材料的拉伸性能(Tensile Properties of Materials)11

2.1.1拉伸曲线和应力应变曲线11

2.1.2脆性材料的拉伸性能20

2.1.3塑性材料的拉伸性能22

2.1.4高分子材料的拉伸性能24

2.1.5复合材料的拉伸性能27

2.2材料在其他静载荷下的力学性能(Mechanical Properties of Materials Under Other Static Loads)28

2.2.1加载方式与应力状态图29

2.2.2扭转（torsion)31

2.2.3弯曲（bending)34

2.2.4压缩（compression)36

2.3硬度(Hardness)37

2.3.1硬度试验的特点38

2.3.2布氏硬度38

2.3.3洛氏硬度40

2.3.4维氏硬度41

2.3.5显微硬度42

2.3.6肖氏硬度43

参考文献43

思考题44

3材料的变形 Deformation of Materials46

3.1材料的弹性变形(Elastic Deformation of Materials)46

3.1.1弹性变形的基本特点46

3.1.2弹性变形的物理本质46

3.1.3胡克定律（Hookes law)48

3.2弹性模量及其影响因素(Elastic Modulus and its Influencing Factors)50

3.2.1弹性模量的意义50

3.2.2弹性模量的影响因素50

3.2.3弹性比功51

3.3弹性变形的不完整性(Damping of Elastic Deformation)52

3.3.1包辛格效应（bauschinger effect)52

3.3.2弹性后效53

3.3.3弹性滞后环53

3.4材料的塑性变形(Plastic Deformation of Materials)54

3.4.1塑性变形的一般特点54

3.4.2塑性变形的物理过程55

3.4.3单晶体与多晶体材料塑性变形的特点57

3.4.4形变织构和各向异性59

3.5材料的屈服行为(Yielding Behavior of Materials)59

3.5.1屈服现象及其解释59

3.5.2屈服强度的物理意义60

3.5.3屈服判据65

3.6材料的形变强化(Strain Hardening of Materials)66

3.6.1形变强化曲线66

3.6.2材料的颈缩现象68

3.6.3形变强化的意义68

参考文献69

思考题69

4材料的强化与韧化Strengthening and Toughening of Materials71

4.1金属及合金的强化与韧化(Strengthening and Toughening of Metals and Alloys)71

4.1.1均匀强化72

4.1.2非均匀强化78

4.1.3细晶(grain refinening)强化与细晶韧化83

4.1.4第二相(secondary phase)强化86

4.1.5其他强化方法95

4.2陶瓷材料的强化与韧化(Strengthening and Toughening of Ceramics)103

4.2.1陶瓷材料的强度特点103

4.2.2陶瓷材料的强化104

4.2.3陶瓷材料的韧化105

4.2.4影响陶瓷材料强度的主要因素106

4.2.5影响陶瓷材料韧性的主要因素107

4.3高分子材料的强化与韧化(Strengthening and Toughening of Polymers)111

4.3.1高分子材料的强度特点111

4.3.2高分子材料的强化112

4.3.3高分子材料的韧化114

4.4复合材料的强化与韧化(Strengthening and Toughening of Composite Materials)115

4.4.1复合强化原理115

4.4.2复合韧化原理与工艺115

4.4.3三大材料的强韧化比较117

4.5材料强韧化新理论与实践(New Theory and Approach for Strengtheningtoughening of Materials)119

4.5.1材料设计(materials design)120

4.5.2显微组织控制123

4.5.3纳米技术与晶界控制124

4.5.4材料强韧性评价与标准问题129

4.6材料强韧化过程的力学计算(Mechanical Calculation of the Strengtheningtoughening of Materials)130

4.6.1宏细观平均化计算130

4.6.2层状结构的细观模拟计算131

4.6.3材料强度的统计计算131

4.6.4宏细微观三层嵌套模型132

参考文献133

思考题134

5材料的断裂 Fracture of Materials136

5.1断裂分类与宏观断口特征(Fracture Classification and Characteristics of Fracture Surface)136

5.1.1断裂的分类136

5.1.2断口的宏观特征138

5.2断裂强度(Fracture Strength)139

5.2.1晶体的理论断裂强度139

5.2.2材料的实际断裂强度141

5.3脆性断裂(Brittle Fracture)143

5.3.1脆性断裂机理143

5.3.2脆性断裂的微观特征147

5.4韧性断裂(Ductile Fracture)149

5.4.1韧性断裂机理149

5.4.2韧性断裂的微观特征150

5.5复合材料的断裂(Fracture of Composite Materials)151

5.5.1复合材料的断裂模式151

5.5.2复合材料断裂的微观形式152

5.5.3复合材料开裂方向的预测153

5.6缺口效应(Notch Effect)153

5.6.1缺口对应力分布的影响153

5.6.2缺口敏感性及其表示方法155

5.6.3缺口试样冲击弯曲及冲击韧性155

5.7材料的低温脆性(Brittleness of Materials at Low Temperature)157

5.7.1材料的低温脆性现象157

5.7.2材料的韧脆转变温度158

5.7.3影响韧脆转变温度的因素159

参考文献160

思考题161

6材料的断裂韧性 Fracture Conception of Materials163

6.1断裂韧性的基本概念(Basic Conception of Fracture Toughness)163

6.1.1断裂强度与裂纹长度163

6.1.2裂纹体的三种位移方式164

6.1.3平面应力和平面应变165

6.1.4断裂韧性167

6.2裂纹尖端附近的应力场(Stress Field Near the Crack Tip)167

6.3裂纹尖端塑性区的大小及其修正(Size and Correction of Plastic Zone Near Clack Tip )169

6.3.1裂纹尖端屈服区的大小169

6.3.2应力松弛(stress relaxation)对塑性区的影响171

6.4裂纹扩展的能量释放率GI(Energy Release Rate of Crack Propagation)173

6.5断裂韧性的影响因素(Influence Factors on the Fracture Toughness)174

6.5.1杂质对KIc的影响175

6.5.2晶粒尺寸对KIc的影响176

6.5.3组织结构对KIc的影响176

6.5.4特殊热处理对KIc的影响177

6.5.5载荷速率与环境对KIc的影响178

6.6平面应变断裂韧性KIc测试方法(Standard Test Method for LinearElastic PlaneStrain Fracture Toughness

    KIc)179

6.6.1试样的制备179

6.6.2测试方法180

6.7弹塑性状态的断裂韧性(Fracture Toughness in an Elastoplastic State)182

6.7.1裂纹尖端张开位移（CTOD）182

6.7.2J积分184

参考文献185

思考题186

7材料的疲劳 Fatigue of Materials188

7.1疲劳现象(Fatigue Phenomenon)188

7.1.1变动载荷188

7.1.2疲劳断裂特点189

7.1.3疲劳宏观断口190

7.2疲劳断裂过程及其机理(Fatigue Process and Mechanisms)191

7.2.1疲劳裂纹的萌生191

7.2.2疲劳裂纹的扩展192

7.2.3疲劳裂纹扩展机制与疲劳断口微观特征192

7.3疲劳裂纹扩展速率与门槛值(Fatigue Crack Growth Rate and Threshold Value)195

7.3.1疲劳裂纹扩展速率(fatiguecrack growth rate)195

7.3.2疲劳裂纹扩展速率的数学表达式196

7.4疲劳强度指标(Fatigue Strength Index)197

7.4.1SN曲线与疲劳极限197

7.4.2过载持久值与过载损伤界198

7.4.3疲劳缺口敏感度(fatigue notch sensitivity)199

7.5影响疲劳性能的因素(Influencing Factors on Fatigue Properties)199

7.5.1载荷因素200

7.5.2表面状态与尺寸因素201

7.5.3组织因素201

7.6低周疲劳(Low Cycle Fatigue)203

7.6.1低周疲劳的特点203

7.6.2低周疲劳的ΔεN曲线204

7.6.3循环硬化与循环软化205

7.7复合材料与陶瓷材料的疲劳(Fatigue of Composite Materials and Ceramics)205

7.7.1复合材料的疲劳205

7.7.2陶瓷材料的疲劳206

7.8超高周疲劳(Ultrahigh Cycle Fatigue)208

7.8.1超高周疲劳的概念及SN曲线特点208

7.8.2超高周疲劳的断口特征及其机制209

参考文献210

思考题211

8高温及环境下的材料力学性能 Mechanical Properties Under the Action of Environment Media or at Hightemperature213

8.1材料的蠕变（Creep of Materials）213

8.1.1材料的蠕变现象和蠕变曲线213