材料的力学性能（王磊）（第4版）

《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

8.1.2蠕变过程中组织结构的变化215

8.2蠕变变形及断裂机制(Creep Deformation and Fracture Mechanism)215

8.2.1蠕变变形机制215

8.2.2蠕变损伤(creep damage）和断裂机制217

8.3蠕变、持久强度极限及其外推法(Creep Limit and Rupture Strength Limit and Its Extrapolation Method)218

8.3.1蠕变极限和持久强度极限218

8.3.2蠕变持久强度数据的外推法219

8.4疲劳与蠕变的交互作用(Interaction of Fatigue and Creep)220

8.5高分子材料的黏弹性(Viscoelasticity of Polymer Materials)221

8.6陶瓷材料的抗热震性（Thermal Shock Resistance Property of Ceramic Materials）223

8.6.1抗热震断裂(thermal shock fracture)223

8.6.2抗热震损伤(thermal shock damage)224

8.7热疲劳(Thermal Fatigue)224

8.8应力松弛(Stress Relaxation)225

8.8.1金属中的应力松弛现象225

8.8.2松弛稳定性指标226

8.9影响材料高温性能的因素(Influence Factors on High Temperature Property of Materials)226

8.9.1合金化学成分的影响226

8.9.2冶炼工艺及热处理工艺的影响227

8.9.3晶粒度的影响227

8.10环境介质作用下的力学性能(Mechanical Properties Under the Action of Environment Media)228

8.10.1应力腐蚀(stress corrosion)228

8.10.2氢脆(hydrogen embrittlement)234

8.10.3腐蚀疲劳(corrosion fatigue)238

参考文献240

思考题241

9材料的磨损和接触疲劳Wear and Contact Fatigue of Materials243

9.1摩擦与磨损的基本概念(Concept of Friction Andwear)243

9.1.1摩擦及类型243

9.1.2磨损及类型244

9.1.3耐磨性(wear resistance)245

9.2磨损机制及提高磨损抗力的因素(Wear Mechanism and the Factors to Improve Wear Resistance)246

9.2.1氧化磨损(oxidative wear)246

9.2.2咬合磨损(occlusion wear)(类黏着磨损)247

9.2.3热磨损(thermic wear)(第二类黏着磨损)248

9.2.4磨粒磨损(abrasive wear)249

9.2.5微动磨损(fretting wear)251

9.3材料磨损试验方法 (Material Wear Test Method)252

9.3.1试验方法分类252

9.3.2磨损试验机252

9.3.3磨损量的测量方法253

9.4接触疲劳(Contact Fatigue)254

9.4.1接触应力(contact stress)255

9.4.2接触疲劳的类型257

9.5非金属材料的磨损性能(Wear Properties of Nonmetallic Materials)263

参考文献264

思考题265

索引266