| 分类 | 高教类- 材料科学 |
|---|---|
| ISBN | 978-7-5618-6000-7 |
| 开放标志 | |
| 尺寸 | 185mm×260mm |
| 字数 | 774千 |
| 出版社 | 天津大学出版社 |
| 作者 | 王吉会 主编 |
| 印次 | 第一次 |
| 版次 | 第一版 |
| 定价 | 66.00 |
| 印张 | 30.75 |
| 包装 | 平装 |
| 出版日期 | 2018-03-01 |
| 印刷日期 | 2018-03-01 |
| PV | |
| Base_PV | |
| 页数 | 478页 |
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前言
材料的力学性能是关于材料在外加载荷(外力)作用下或载荷和环境因素(温度、介质和加载速率等)联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律及其物理本质和实验测试技术的学科。与材料的物理性能、化学性能一样，材料的力学性能是材料科学与工程四大基本要素一一材料性能的重要组成部分，是各类材料在实际应用中都必须涉及的共性问题。
但从课程的发展历史看"材料力学性能"原是金属材料工程专业继"金属学原理""固态相变原理"等课程之后的专业课程;在无机非金属材料工程专业中，无机材料的力学性能仅是"无机材料物理性能"课程中一章的内容;在高分子材料与工程专业中，聚合物的力学性能则分散在"高分子物理"课程的有关章节中，内容相对较少。
随着材料技术的飞速发展及传统材料产业的不断升级，材料类专业得到不断的重组与优化，不仅有材料科学与工程、材料物理、材料化学、冶金工程、金属材料工程、无机非金属材料、高分子材料与工程、复合材料与工程等主干专业，而且还包括粉体材料科学与工程、宝石及材料工艺学、焊接技术与工程、功能材料、纳米材料与技术、新能源材料与器件等特色专业。而"材料力学性能"课程，则成为材料类专业的学科基础课程。因此，原先作为金属材料工程专业的"片料力学性能"课程教材，显然不能适应材料类专业教学的需要。于是，迫切需要编写出兼顾金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料、纳米材料等力学性能的共性，又能适当反映各自材料力学性能特殊性的《材料力学性能》教材，以适合材料科学与工程一级学科专业教学的需要。
2010 年6 月，教育部"卓越工程师教育培养计划"在我国理工科高等学校全面铺开，其中以强化工程能力和创新能力为人才培养模式改革的重点，从而全面提高我国工程教育人才的培养质量。从2017 年起，又提出了适合未来新兴产业和新经济需要的新工科建设思想，旨在培养出工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型"新工科"人才。本教材就是在这一背景下根据材料科学与工程一级学科专业的特点，并本着加强基础、拓宽专业面、注重实
践能力、培养综合素质的原则而编写的。在教材编写过程中，我们重点参考了2006 年天津大学出版社出版的《材料力学性能~ ，同时吸取了近年来在材料科学与工程、材料化学、功能材料等专业讲授"材料力学性能"课程的体会和经验，并注重打通与前期课程(如"材料力学""材料科学基础"等)间的联系，构建与同期课程(如"金属学""材料现代研究方法""材料物理性能"等)或后期课程(如"腐蚀电化学原理""高分子物理""先进结构陶瓷"等)间的有机衔接，尝试总结归纳各类材料力学性能的共性并兼顾各类材料的个性，从而为实现各类材料力学性能的交叉与融合奠定基础。
为此，我们调整了课程的教学体系，从材料力学性能概论出发，遵循材料力学性能的定义(材料在外加载荷与环境因素联合作用下的力学行为与机理) ，按照材料的承载方式、环境因素和特定研究对象，将课程分为静载拉伸力学性能、其他载荷下的力学性能(扭转、弯曲、压缩、剪切、硬度、缺口效应、冲击、低温韧性)、断裂强度与断裂韧性、变动载荷下的力学性能环境条件下的力学性能、高温条件下的力学性能、摩擦与磨损性能、纳米尺度下的力学性能、复合材料的力学性能等内容;与此同时，优化和更新了教学内容，将微纳材料、复合材料等特定材料的力学性能和研究方法进行单独讲述;不再将金属、陶瓷、高分子等三类材料的力学性能单列成章，而是以材料的力学性能为主线，将三大材料有机地融合到每一章中，并将三类材料的共性与特性进行总结与归纳。此外，为配合课堂理论教学并建立理论与实验相结合的教学需要，将材料力学性能实验部分单独成章，包括实验概述、常规力学性能实验及综合力学性能实验三部分内容，旨在使学生形成完整的、理论与实验相结合的课程体系，掌握材料力学性能的基础理论知识和实验技术，促进学生工程实践能力和创新意识的养成。本教材是天津大学材料科学与工程专业系列教材之一，由王吉会主编，郑俊萍、刘家臣、黄定海参加编写。教材的编写，得到了天津大学校级精品教材建设项目、天津大学材料科学与工程学院和天津大学出版社的大力支持与热情帮助。在此特向所有支持、帮助和关心本课程建设和教材编写工作的各级领导、专家和同人表示衷心的感谢。
由于材料力学性能涉及的内容和应用领域十分广泛，加之学科新知识不断涌现，而编者的专业范围和知识水平有限，书中难免存在错误和不完善之处，敬请读者批评指正，以便今后及时地加以完善和更新。
编著
2017年9月
目录
第1 章慨论.......................................1
1. 1 材料与材料科学·............................1
1. 1. 1 材料的概念与分类.........................1
1. 1. 2 材料科学与工程………....…………………… 2
1. 2 材料的性能与分析方法..............................3
1. 2. 1 材料的性能.............................3
1. 2. 2 材料性能分析方法..................................4
1. 3 材料的力学性能...................................6
1. 3. 1 材料力学性能的概念与主要指标............................6
1. 3. 2 材料力学性能的研究内容……………………………………………………… 7
1. 3. 3 材料力学性能的研究目的和意义.................................. 8
1. 3. 4 材料力学性能的应用举例........................................ 9
1. 4 课程特点、教学思路与教学安排............................10
1. 4. 1 课程特点................................................. 10
1. 4. 2 教学思路............................. 11
1. 4.3 教学安排………………………………………………………………………… 12
复习思考题
第2 章材料的静载拉伸力学性能…………………………………………………14
2. 1 静载拉伸试验.....................14
2. 1. 1 应力-应变曲线................................................. 14
2. 1. 2 拉伸强度指标…………………………………………………………………… 20
2. 1. 3 塑性指标及其意义……………………………………………………………… 2
2.2 弹性变形............................................................... 23
2.2.1 弹性变形及其物理本质………………………………………………………… 24
2. 2.2 弹性性能的工程意义………………………………………………………… 28
2.2.3 弹性不完整性…………………………………………………………………… 32
2.3 塑性变形............................................37
2.3.1 金属材料的塑性变形机制与特点........................37
2.3.2 屈服现象及其本质……………………………………………………………… 38
2.3.3 真实应力-应变曲线及形变强化规律 ..............................40
2.3.4 陶瓷材料的塑性变形…………………………………………………………… 44
2.4 材料的断裂..................................................... 47
2 材料力学性能原理与实验教程
2.4. 1 金属材料的断裂…… …………………………………………………………… 48
2.4.2 陶瓷材料的断裂………………………………………………………………… 56
2.4.3 高分子材料的断裂………………………………………………………………56
复习思考题………………………………………………………………………………… 60
第3 章材料在其他载荷下的力学性能.................................. 63
3.1 应力状态系数和力学状态图.........................................64
3. 1. 1 应力状态系数…………………………………………………………………… 64
3. 1. 2 力学状态图...................................... 65
3.2 钳料的扭转、弯曲、压缩和剪切............................................ 67
3.2. 1 材料的扭转……………………………………………………………………… 67
3.2.2 材料的弯曲.............................................................. 70
3.2.3 材料的压缩................................ 73
3.2. 4 材料的剪切……………………………………………………………………… 75
3.2.5 几种静载试验方法的比较................................................ 76
3. 3 材料的硬度.............................................77
3.3.1 硬度的概念与分类……………………………………………………………… 77
3.3.2 布氏硬度……………………………………………………………………… 78
3.3. 3 洛氏硬度................................. 82
3.3.4 维氏硬度................................................ 85
3.3. 5 显微硬度........................................ 87
3.3.6 肖氏硬度............................................................ 88
3.3.7 莫氏硬度………………………………………………………………………… 89
3.3.8 常用材料的硬度……..................................................................... 89
3.3. 9 硬度与其他力学性能指标的关系................................90
3.4 缺口试样的力学性能.............................................. 91
3.4.1 缺口效应…·………………………………………………………………….. 91
3.4.2 缺口试样力学性能试验………………………………………………………… 96
3.5 材料在冲击载荷下的力学性能........................... 102
3.5.1 加载速率与应变速率……………………………………………………… 102
3.5.2 冲击载荷的能量性质........................ 102
3.5.3 冲击载荷下材料的变形与断裂的特点…...................................... 103
3.5.4 缺口试样的冲击试验与冲击韧性............................ 103
3.5.5 冲击试样断裂过程分析............................................... 108
3.5.6 冲击试验的应用………………………………………………………. 109
3.6 材料的低温脆性................................................. 110
3.6.1 低温脆性的现象……………………………………………………………… 110
3.6.2 低温脆性的本质……………………………………………………………… 112
3.6.3 低温脆性的评定……………………………………………………………… 112
3.6.4 低温脆性的影响因素........................................... 119
复习思考题............................................. 124
目录U Il 3
第4 章材料的断裂强度与断裂韧性....................................... 126
4. 1 断裂强度........................................... 126
4. 1. 1 理论断裂强度………………………………………………………………… 127
4. 1. 2 宏观缺陷的影响……………………………………………………………… 129
4. 1. 3 G咀由断裂理论............................................. 130
4. 1. 4 Orowan 修正...................................... 132
4. 1. 5 Griffith 裂纹............................................ ]33
4.2 裂纹及其顶端的应力场............................ 134
4.2.1 裂纹的来源及分类……………………………………………………… 134
4.2.2 裂纹体理论概述……………………………………………………………… 136
4.2.3 裂纹顶端的应力场…………………………………………………………… 137
4.3 应力强度因子..................................................... 142
4.3.1 应力强度因子的概念及意义................................ 142
4.3.2 常见裂纹的应力强度因子…………………………………………………… 143
4.4 应力强度因子的塑性区修正............................. 146
4.4.1 裂纹顶端的塑性区………………………………………………………… 146
4.4.2 有效屈服应力与塑性约束系数.............................................. 149
4.4.3 应力松弛对塑性区的影响…………………………………………………… 149
4.4.4 应力强度因子的塑性区修正................................................... 150
4.4.5 小范围屈服与线弹性断裂力学的适用范围.................. 152
4. 5 应力强度因子断裂准则................... ................................. 153
4.5.1 断裂准则与断裂韧性………………………………………………………… 153
4.5.2 应用举例………………………………………………………………… 154
4.6 断裂韧性的测试....................................................... 156
4.6.1 金属材料的平面应变断裂韧性...................................... 156
4.6.2 陶瓷材料的平面应变断裂韧性................................................ 160
4. 7 断裂强度的统计性................................................... 161
4. 7. 1 断裂强度波动的分析................................................ 161
4.7.2 断裂强度的统计分析................................................ 162
4.7.3 应力函数的求法及韦伯函数分布.......................................... 163
4.7.4 韦伯函数中m 及町的求法….......................................... 164
4.7.5 有效体积的计算................................... 164
4.7.6 韦伯统计的应用与实例……………………………………………………… 164
4.8 断裂韧性的影响因素、估算与提升措施................................. 166
4.8.1 断裂韧性的影响因素........................................... 166
4.8.2 断裂韧性的估算……………………………………………………… 170
4.8.3 断裂韧性的提升措施………………………………………………………… 172
复习思考题........................... 175
第5 章材料在变动载荷下的力学性能………………………………178
5.1 变动载荷（应力）和疲劳破坏的特征....................178
4 1111 材料力学性能原理与实验教程
5. 1. 1 变动载荷(应力)及其描述参量........................................... 178
5. 1. 2 疲劳的分类、特点及断口特征............................................. 179
5.2 高周疲劳.............................................................. 182
5.2.1 疲劳曲线和疲劳极限............................................. 182
5.2.2 不对称循环应力下的S-N 曲线和疲劳极限.............................. 188
5.2.3 疲劳缺口敏感度……………………………………………………… 190
5.2.4 变幅应力与疲劳累积损伤.............................................. 192
5.3 低周疲劳、热疲劳与冲击疲劳................................................ 193
5.3.1 低周疲劳的特点…........................................................... 194
5. 3.2 循环硬化和循环软化………………………………………………………… 195
5.3.3 循环应力-应变曲线与应变-寿命曲线................................ 196
5.3.4 热疲劳与冲击疲劳…………………………………………………………… 198
5.4 疲劳裂纹扩展............................................................. 199
5.4.1 疲劳裂纹扩展试验…………………………………………………………… 2∞
5.4.2 疲劳裂纹扩展速率…………………………………………………………… 201
5.4.3 疲劳裂纹扩展速率的影响因素 ............................... .202
5.4.4 疲劳裂纹扩展寿命的估算.............................................204
5.5 疲劳裂纹的萌生与扩展机理.....................................................205
5.5.1 疲劳裂纹的萌生………………………………………………………… 206
5.5.2 疲劳裂纹扩展的方式和机理............................................ 208
5.6 疲劳强度的影响因素与改善措施........................................... .209
5.6.1 疲劳强度的影响因素..............................................209
5.6.2 疲劳强度的改善措施..................................................... 210
5. 7 聚合物的疲劳....................................................... .211
5. 7. 1 聚合物的S-N 曲线和疲劳热破坏.......................................211
5.7.2 聚合物的疲劳强度…………………………………………………………… 212
5.7.3 聚合物的疲劳裂纹扩展.................................................. 212
5.8 陶瓷材料的疲劳....................................... 213
5.8.1 静疲劳………………………………………………………………………… 214
5.8.2 循环应力疲劳………………………………………………………………… 215
复习思考题………………………………………………………………………………… 215
第6 章材料在环境条件下的力学性能........................... 217
6. 1 应力腐蚀断裂................................................... 218
6. 1. 1 应力腐蚀断裂的特征………………………………………………………… 218
6. 1. 2 典型材料的应力腐蚀……………………………………………………220
6. 1. 3 应力腐蚀断裂的测试方法与评价指标....................................... 221
6. 1. 4 应力腐蚀断裂的影响因素............................................226
6. 1. 5 应力腐蚀断裂的机理………………………………………………………… 228
6. 1. 6 应力腐蚀断裂的防护措施.......................230
6.2 氢致断裂....................................231
6.2.1 金属中的氢...................................................... 231
6.2.2 氢致断裂的类型和特征……………………………………………………… 231
6.2.3 氢致滞后断裂的机理………………………………………………………… 233
6.2.4 氢致断裂与应力腐蚀断裂的关系........................................... 234
6.2.5 氢致断裂的测试与评价……………………………………………………… 236
6.2.6 氢致断裂的防护措施………………………………………………………… 237
6.3 腐蚀疲劳断裂......................................................... 237
6.3.1 腐蚀疲劳断裂的特点………………………………………………………… 237
6.3.2 腐蚀疲劳断裂的机制………………………………………………………… 239
6.3.3 腐蚀疲劳裂纹的扩展速率…………………………………………………… 240
6.3.4 腐蚀疲劳的影响因素………………………………………………………… 241
6.3.5 腐蚀疲劳的防护措施………………………………………………………… 243
6.4 腐蚀磨损脆性.............................................. .........244
6.4.1 腐蚀磨损脆性的现象和特点..........................................244
6.4.2 腐蚀磨损脆性的机制…………………………………………………… 245
6.4.3 典型材料的腐蚀磨损脆性…………………………………………………… 246
6.4.4 腐蚀磨损脆性的测试方法与评价指标................................. 251
6.4.5 腐蚀磨损脆性与应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳的关系........................... 253
6.4.6 腐蚀磨损脆性的防护措施............................... 254
6.5 辐照脆性………………………………… 255
6.5.1 辐照损伤……………………………………………………………… 255
6.5.2 辐照效应……………………………………………………………… 256
6.5.3 辐照致脆机理………………………………………………………………… 259
6.5.4 辐照损伤的回复与控制............................................ 261
6.6 液(固)态金属脆性..................................................... 262
6.6.1 金属脆性的现象和特征………………………………………………262
6.6.2 典型材料的金属脆性………………………………………………… 263
6.6.3 金属脆性的机制........................................................ 266
6. 7 无机材料的环境脆性.................................................... 268
6. 7. 1 元机材料环境脆性的现象和特点.......................................... 268
6.7.2 玻璃和陶瓷材料的环境脆性................................................269
6.7.3 无机材料环境脆性的裂纹扩展速率............................................. 271
6.7.4 元机材料的环境脆性机制................................................. 273
6.8 聚合物的环境脆性......................................................... 274
6.8.1 水性介质中聚合物的环境脆性........................... 274
6.8.2 有机溶剂体系中聚合物的环境应力开裂......................... 276
复习思考题………………………………………………………………………………… 278
第7 章材料在高温条件下的力学性能............................................ 281
7.1 高温与高温力学性能的特点.............................................. 281
7. 1. 1 高温的概念……………………………………………………… 281
7. 1. 2 高温力学性能的特点........…….........……………….........…………….281
7.2 材料的蠕变..............................…….............….................... 282
7. 2. 1 蠕变曲线……...............…..............….........….......................... 282
7.2.2 蠕变机制……………………………………………………………………… 285
7.2.3 蠕变极限.........……………………………………………………………… 289
7.2.4 持久强度与持久塑性.................................................290
7.2.5 蠕变的影响因素.................….........…............................................… 292
7.3 应力松弛…......................………………..................…................. 295
7.3. 1 应力松弛现象…......………………………………………………………….. 295
7.3.2 应力松弛稳定性……………………………………………………………… 296
7.4 高温疲劳及疲劳与蠕变的交互作用……........………………………........... 298
7.4. 1 基本加载方式和σ － e 曲线…………………………................…........ 298
7. 4.2 高温疲劳的一般规律….....................................…....................... 298
7. 4.3 疲劳与蠕变的交互作用…….........….........………….............…........ 301
7.5 高温热暴露…...............….......….........…..............................303
7. 5. 1 热暴露评定指标…......……………………………………………………….. 303
7.5.2 热暴露的特点……......................….......………..........…............... 303
7.5.3 热暴露的影响因素................................................................. 304
7.5.4 热暴露机理………........…….............................................…........ 305
7.6 陶瓷材料的抗热震性..........................….........………………........ 305
7.6. 1 热震断裂…..........……………………………………………………….306
7.6.2 热震损伤........……………………………………………………………. 307
7.6.3 热震寿命…………………………………………………………………….. 307
复习思考题………………………………………………………………………………… 309
第8 章材料的摩擦与磨损性能.................................................311
8. 1 材料的表面形态与接触·..................................................311
8. 1. 1 表面形貌参数……......……………………………………………………… 311
8. 1. 2 材料的表面结构和表面性质........……........................................ 315
8. 1. 3 粗糙表面的接触........................................................................ 317
8.2 材料的摩擦…........….......................….............................…….......... 320
8.2. 1 摩擦的概念与分类................….................................................. 320
8.2.2 经典摩擦理论………........................……….............................…· 321
8.2.3 分子－机械摩擦理论………………………………………………………… 322
8.2.4 带着摩擦理论……......……………………………………………………… 324
8.3 材料的磨损.......................…….........…………………..........………… 328
8. 3. 1 磨损的概念与分类…………………………………………………………… 328
8.3.2 磨损过程….…....……………………………………………………………· 329
8.3.3 黠着磨损........………………………………………………………………· 331
8.3.4 磨粒磨损......…...............………………………………………………… 334
8. 3. 5 疲劳磨损……………………………………………………………………… 340
8.3.6 腐蚀磨损……………………………………………………………………… 344
8.3. 7 冲蚀磨损与微动磨损………………………………………………………… 346
8.4 摩擦磨损的测试方法........…….........…….................................……·… 350
8.4. 1 摩擦磨损测试仪器……................... . ...........….........…................. 350
8.4.2 摩擦磨损的测量与评定…·………………………………………………….. 352
8.5 摩擦磨损的控制…………………........……...............……...................… 355
8. 5. 1 润滑剂的使用………………………………………………………………… 355
8.5.2 摩擦副材料的选择…………………………………………………………… 356
8.5.3 材料的表面改性与强化处理………………………………………………… 357
复习思考题........…….........................….......…...................................... 359
第9 章材料在纳米尺度下的力学性能…........……........................................... 361
9. 1 纳米科技概述…........……….........……..........................................…. 361
9. 1. 1 纳米科技的概念……………………………………………………………… 361
9. 1. 2 纳米科技的内涵.......................................…..........………....……… 362
9.2 纳米力学测试技术........…..................……....................................…· 363
9.2. 1 扫描隧道显微镜……….………………………….................…· 363
9.2.2 原子力显微镜………………………………………………………………… 365
9.2.3 扫描探针显微镜….………………………………………………………….. 366
9.2.4 纳米硬度计…………………………………………………………………… 367
9.3 纳米材料的力学性能…............................................……...........……… 369
9.3. 1 概述…….......…............................................369
9.3.2 纳米金属材料的力学性能…………...............….................................. 373
9.3.3 纳米陶瓷材料的力学性能…………………………………………………… 376
9.3.4 纳米碳管的力学性能………………………………………………………… 377
9.3.5 聚合物单分子链的力学性能…….......………........…......................... 385
9.4 纳米摩擦、磨损与加工.................…..................….........…................... 388
9.4. 1 纳米摩擦……………………………………………………………………… 388
9.4.2 纳米磨损….……………………………………………………………….. 392
9.4.3 纳米加工……………………………………………………………………… 393
复习思考题…...........................……………………………………………………… 394
第10 章复合材料的力学性能…………………………………………………………… 395
10. 1 复合材料的概念与性能特点……........…………….........….........…………· 395
10. 1. 1 复合材料的定义与分类……………………………………………………… 395
10. 1. 2 复合材料的性能特点………………………………………………………… 397
10.2 单向连续纤维复合材料的力学性能…....................................………· 398
10. 2. 1 单向连续纤维复合材料的弹性性能…........................................ 398
10.2.2 单向连续纤维复合材料的强度……..............................................…··物4
10. 3 短纤维复合材料的力学性能……….................…............................ 408
10. 3. 1 应力传递理论..…………………………………………………………….. 408
10. 3. 2 短纤维复合材料的弹性模量………………………………………………… 411
10.3.3 短纤维复合材料的强度……………………………………………………… 412
10.4 复合材料的断裂、冲击与疲劳性能…........…...........................….......... 413
10. 4. 1 复合材料的断裂过程与能量分析........…........................................ 413
10.4.2 复合材料的冲击性能………………………………………………………… 417
10.4.3 复合材料的疲劳性能………………………………………………………… 418
复习思考题…............................................……................……................. 420
第11 章材料力学性能实验.........…........…….........………............................ 422
11. 1 力学性能实验概述.................…...........................…........... 422
11. 2 常规力学性能实验…........…..........…...................................….......... 424
11. 2. 1 材料的静载拉伸实验………………………………………………………… 424
11. 2. 2 材料的弹性模量实验………………………………………………………… 427
11. 2. 3 材料的扭转实验……………………………………………………………… 429
11. 2. 4 材料的弯曲实验...................................…..................…….......... 432
11. 2. 5 材料的压缩实验……………………………………………………………… 435
11. 2. 6 材料的硬度实验…....……………………………………………………….. 438
11. 2. 7 材料的冲击实验………........……………...................................….. 443
11. 2. 8 材料的平面应变断裂韧性实验…......................….......................... 448
11. 2. 9 材料的疲劳实验……………………………………………………………… 450
11. 2. 10 材料的应力腐蚀实验……..............................................…........ 453
11. 2. 11 材料的蠕变实验……........……...........................................……· 456
11. 2. 12 材料的摩擦与磨损实验...................…...............….................... 459
11. 3 综合力学性能实验..................….........…...........................…….......... 461
11. 3. 1 碳化硅增强铝基复合材料的力学性能实验..........……......................... 461
11. 3. 2 材料失效案例分析实验.......................…................... 465
11. 3. 3 典型零件的材料选择、结构设计与应用实验……..............…............. 467
附录……........…..............………........……….........……….........……….......... 471
附录1 材料力学性能中的常用单位换算表..........................…...................... 471
附录2 常用材料的力学性能…........…........................…….…........….......... 472
附录3 部分材料的平面应变断裂韧性Krc ..............….........................….........…· 473
附录4 部分工程材料的疲劳门槛值△Kth ........….…................................. 474
参考文献……………………………………………………………………………………… 475