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《材料的力學性能》(第4 版) 是十二五普通高等教育本科規(guī)劃教材。全書共分9 章, 第1章為緒言。第2 章、第3 章主要介紹材料的彈性變形、塑性變形及形變強化的基本原理, 著重討論各種力學指標的物理意義及其與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。第4 章詳細介紹了材料的強化與韌化知識, 是本書的特色所在。第5 章、第6 章介紹了有關(guān)材料的斷裂與斷裂韌性問題, 以使讀者對材料由加載至失效有一個全面的認識。應(yīng)該說, 前6 章是本書的基礎(chǔ)部分, 也是教學之重點。第7~9 章介紹材料在特定加載方式或外界環(huán)境下的力學行為, 即第7 章材料的疲勞、第8 章高溫及環(huán)境下的材料力學性能、第9 章材料的磨損和接觸疲勞。

本教材將傳統(tǒng)的金屬、陶瓷、高分子等三大材料以及復合材料有機地融為一體, 將材料力學行為的微細觀物理本質(zhì)與力學行為的宏觀規(guī)律有機結(jié)合, 既強調(diào)材料強度與韌性的經(jīng)典理論, 又結(jié)合實際應(yīng)用介紹本學科相關(guān)的一些新成就。

教材各章給出了思考題和相關(guān)的參考文獻, 這對于學員鞏固所學知識、深入思考材料力學行為問題具有參考價值。

第4 版升級為新形態(tài)教材, 書中給出了各部分內(nèi)容配套的完整教學視頻, 可掃描二維碼通過視頻學習。

本書可作為高等學校材料類各專業(yè)的教學用書。

第4版前言

《材料的力學性能》作為高等學校材料類各專業(yè)的教材，自2005年出版以來，得到了廣大讀者，尤其是兄弟院校同仁們的厚愛，被選為教材或參考書。2007年修訂出版了第2版。2012年本教材先后入選遼寧省規(guī)劃教材、*首批十二五普通高等教育本科規(guī)劃教材。2014年修訂出版了第3版，第3版教材2019年獲冶金類優(yōu)秀教材（本科院校組）一等獎。此間多次付印，累計發(fā)行已近兩萬冊，在此謹向給予本教材厚愛的讀者及同仁表示衷心的謝意。本次除修訂了前三版中的疏漏、增補了部分圖解外，增加了相關(guān)領(lǐng)域的研究動向、更新了相關(guān)的試驗標準；補充了部分思考題，并給出了相應(yīng)的解答要點，以幫助讀者加深對內(nèi)容的理解。

本次修訂的另一個重大變化是升級為數(shù)字化新形態(tài)教材。教材給出了與相應(yīng)內(nèi)容配套的教學講解視頻，對重點和難點內(nèi)容進行了授課式講解，方便即時自學。目錄后給出了教學視頻資料的明細，教學視頻的二維碼放置在各章節(jié)相應(yīng)的標題處，讀者可以方便地掃描二維碼播放視頻。此外，編者在中國大學MOOC愛課程網(wǎng)站開設(shè)了與本教材相應(yīng)的在線課程，讀者亦可參與學習。

本次修訂由王磊（第1章、第4章、第6章）、張濱（第2章、第3章）、杜林秀（第5章、第7章）、崔彤（第8章、第9章）執(zhí)筆，思考題與解答要點及附錄由宋秀統(tǒng)一整理，全書由王磊任主編。本次出版得到了東北大學的資助；化學工業(yè)出版社和東北大學出版社的有關(guān)人員為本書的出版做了大量的工作,在此一并表示謝忱。由于作者的水平所限，即使經(jīng)過本次修訂，不妥之處仍在所難免，懇請讀者指正。

編者

2022年1月

第1版前言

本書是根據(jù)我國高等理工科院校材料科學與工程專業(yè)的教學需要編寫的。在教學計劃中，材料的力學性能是一門專業(yè)必修課。從學科角度講，材料的力學性能主要研究力或力與其他外界條件共同作用下材料的變形和斷裂的本質(zhì)及其基本規(guī)律。其目的在于研究各種力學性能指標的物理意義、各種條件的影響及其變化規(guī)律，從而為從材料的設(shè)計、制備出發(fā)，研制新材料、改進或創(chuàng)新工藝提供依據(jù)；為機械設(shè)計和制造過程中正確選擇與合理使用各種材料指明方向，并為機器零件或構(gòu)件的失效分析奠定一定基礎(chǔ)。

本書是考慮到在修完材料科學基礎(chǔ)以及工程力學的基礎(chǔ)上，為進一步增加材料科學與工程專業(yè)有關(guān)結(jié)構(gòu)材料的知識而編寫的。力求將材料力學行為的微觀(實際為細觀)物理本質(zhì)與力學行為的宏觀規(guī)律有機結(jié)合，既強調(diào)材料力學性能的基本概念，又盡可能介紹與本學科相關(guān)的一些新成就。全書共分8章。第1章、第2章主要介紹材料的彈性變形、塑性變形及形變強化的基本原理，著重討論各種力學指標的物理意義及其與組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。第3章詳細介紹了材料的強化與韌化知識，是本書的特色所在。第4章、第5章介紹了有關(guān)材料的斷裂與斷裂韌性問題，以使讀者對材料由加載至失效有一個全面的認識。應(yīng)該說，前5章是本書的基礎(chǔ)部分，也是教學之重點。第6章、第7章、第8章介紹材料在特定加載方式或外界環(huán)境下的力學行為，即第6章材料的疲勞、第7章高溫及環(huán)境下的材料力學性能、第8章材料的磨損和接觸疲勞。本書可作為40學時課程的教材，講授時可依據(jù)不同專業(yè)的要求，講授一部分，其余留給學生自學。

本書由張濱(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)執(zhí)筆編寫，全書由王磊任主編。在編寫中作者曾參考和引用了一些單位及作者的資料、研究成果和圖片，在此謹致謝意。本書的出版得到了東北大學的資助；東北大學出版社的有關(guān)人員為本書的出版做了大量的工作，這里一并表示謝忱。

由于編者學術(shù)水平和客觀條件所限，書中難免存在疏漏和不妥之處，誠懇希望讀者批評指正。

王磊

2005年5月

1緒言 Introduction1

1.1材料在人類歷史中的作用及發(fā)展趨勢(Role and Developing Trend of Materials in the Human History)2

1.2各種材料的特性(Characteristics of Various Materials)3

1.3結(jié)構(gòu)材料的損傷與斷裂(Damage and Fracture of Structural Materials)4

1.4材料的安全評價與斷裂力學的發(fā)展(Safety Evaluation and Development of Fracture Mechanics of Materials)6

1.5本書的構(gòu)成(Consists of the Book)9

參考文獻10

思考題10

2材料在靜載荷下的力學性能Mechanical Properties of Materials Under Static Loads11

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

2.1.1拉伸曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線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復合材料的拉伸性能27

2.2材料在其他靜載荷下的力學性能(Mechanical Properties of Materials Under Other Static Loads)28

2.2.1加載方式與應(yīng)力狀態(tài)圖29

2.2.2扭轉(zhuǎn)（torsion)31

2.2.3彎曲（bending)34

2.2.4壓縮（compression)36

2.3硬度(Hardness)37

2.3.1硬度試驗的特點38

2.3.2布氏硬度38

2.3.3洛氏硬度40

2.3.4維氏硬度41

2.3.5顯微硬度42

2.3.6肖氏硬度43

參考文獻43

思考題44

3材料的變形 Deformation of Materials46

3.1材料的彈性變形(Elastic Deformation of Materials)46

3.1.1彈性變形的基本特點46

3.1.2彈性變形的物理本質(zhì)46

3.1.3胡克定律（Hookes law)48

3.2彈性模量及其影響因素(Elastic Modulus and its Influencing Factors)50

3.2.1彈性模量的意義50

3.2.2彈性模量的影響因素50

3.2.3彈性比功51

3.3彈性變形的不完整性(Damping of Elastic Deformation)52

3.3.1包辛格效應(yīng)（bauschinger effect)52

3.3.2彈性后效53

3.3.3彈性滯后環(huán)53

3.4材料的塑性變形(Plastic Deformation of Materials)54

3.4.1塑性變形的一般特點54

3.4.2塑性變形的物理過程55

3.4.3單晶體與多晶體材料塑性變形的特點57

3.4.4形變織構(gòu)和各向異性59

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

3.5.1屈服現(xiàn)象及其解釋59

3.5.2屈服強度的物理意義60

3.5.3屈服判據(jù)65

3.6材料的形變強化(Strain Hardening of Materials)66

3.6.1形變強化曲線66

3.6.2材料的頸縮現(xiàn)象68

3.6.3形變強化的意義68

參考文獻69

思考題69

4材料的強化與韌化Strengthening and Toughening of Materials71

4.1金屬及合金的強化與韌化(Strengthening and Toughening of Metals and Alloys)71

4.1.1均勻強化72

4.1.2非均勻強化78

4.1.3細晶(grain refinening)強化與細晶韌化83

4.1.4第二相(secondary phase)強化86

4.1.5其他強化方法95

4.2陶瓷材料的強化與韌化(Strengthening and Toughening of Ceramics)103

4.2.1陶瓷材料的強度特點103

4.2.2陶瓷材料的強化104

4.2.3陶瓷材料的韌化105

4.2.4影響陶瓷材料強度的主要因素106

4.2.5影響陶瓷材料韌性的主要因素107

4.3高分子材料的強化與韌化(Strengthening and Toughening of Polymers)111

4.3.1高分子材料的強度特點111

4.3.2高分子材料的強化112

4.3.3高分子材料的韌化114

4.4復合材料的強化與韌化(Strengthening and Toughening of Composite Materials)115

4.4.1復合強化原理115

4.4.2復合韌化原理與工藝115

4.4.3三大材料的強韌化比較117

4.5材料強韌化新理論與實踐(New Theory and Approach for Strengtheningtoughening of Materials)119

4.5.1材料設(shè)計(materials design)120

4.5.2顯微組織控制123

4.5.3納米技術(shù)與晶界控制124

4.5.4材料強韌性評價與標準問題129

4.6材料強韌化過程的力學計算(Mechanical Calculation of the Strengtheningtoughening of Materials)130

4.6.1宏細觀平均化計算130

4.6.2層狀結(jié)構(gòu)的細觀模擬計算131

4.6.3材料強度的統(tǒng)計計算131

4.6.4宏細微觀三層嵌套模型132

參考文獻133

思考題134

5材料的斷裂 Fracture of Materials136

5.1斷裂分類與宏觀斷口特征(Fracture Classification and Characteristics of Fracture Surface)136

5.1.1斷裂的分類136

5.1.2斷口的宏觀特征138

5.2斷裂強度(Fracture Strength)139

5.2.1晶體的理論斷裂強度139

5.2.2材料的實際斷裂強度141

5.3脆性斷裂(Brittle Fracture)143

5.3.1脆性斷裂機理143

5.3.2脆性斷裂的微觀特征147

5.4韌性斷裂(Ductile Fracture)149

5.4.1韌性斷裂機理149

5.4.2韌性斷裂的微觀特征150

5.5復合材料的斷裂(Fracture of Composite Materials)151

5.5.1復合材料的斷裂模式151

5.5.2復合材料斷裂的微觀形式152

5.5.3復合材料開裂方向的預(yù)測153

5.6缺口效應(yīng)(Notch Effect)153

5.6.1缺口對應(yīng)力分布的影響153

5.6.2缺口敏感性及其表示方法155

5.6.3缺口試樣沖擊彎曲及沖擊韌性155

5.7材料的低溫脆性(Brittleness of Materials at Low Temperature)157

5.7.1材料的低溫脆性現(xiàn)象157

5.7.2材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度158

5.7.3影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素159

參考文獻160

思考題161

6材料的斷裂韌性 Fracture Conception of Materials163

6.1斷裂韌性的基本概念(Basic Conception of Fracture Toughness)163

6.1.1斷裂強度與裂紋長度163

6.1.2裂紋體的三種位移方式164

6.1.3平面應(yīng)力和平面應(yīng)變165

6.1.4斷裂韌性167

6.2裂紋尖端附近的應(yīng)力場(Stress Field Near the Crack Tip)167

6.3裂紋尖端塑性區(qū)的大小及其修正(Size and Correction of Plastic Zone Near Clack Tip )169

6.3.1裂紋尖端屈服區(qū)的大小169

6.3.2應(yīng)力松弛(stress relaxation)對塑性區(qū)的影響171

6.4裂紋擴展的能量釋放率GI(Energy Release Rate of Crack Propagation)173

6.5斷裂韌性的影響因素(Influence Factors on the Fracture Toughness)174

6.5.1雜質(zhì)對KIc的影響175

6.5.2晶粒尺寸對KIc的影響176

6.5.3組織結(jié)構(gòu)對KIc的影響176

6.5.4特殊熱處理對KIc的影響177

6.5.5載荷速率與環(huán)境對KIc的影響178

6.6平面應(yīng)變斷裂韌性KIc測試方法(Standard Test Method for LinearElastic PlaneStrain Fracture Toughness

KIc)179

6.6.1試樣的制備179

6.6.2測試方法180

6.7彈塑性狀態(tài)的斷裂韌性(Fracture Toughness in an Elastoplastic State)182

6.7.1裂紋尖端張開位移（CTOD）182

6.7.2J積分184

參考文獻185

思考題186

7材料的疲勞 Fatigue of Materials188

7.1疲勞現(xiàn)象(Fatigue Phenomenon)188

7.1.1變動載荷188

7.1.2疲勞斷裂特點189

7.1.3疲勞宏觀斷口190

7.2疲勞斷裂過程及其機理(Fatigue Process and Mechanisms)191

7.2.1疲勞裂紋的萌生191

7.2.2疲勞裂紋的擴展192

7.2.3疲勞裂紋擴展機制與疲勞斷口微觀特征192

7.3疲勞裂紋擴展速率與門檻值(Fatigue Crack Growth Rate and Threshold Value)195

7.3.1疲勞裂紋擴展速率(fatiguecrack growth rate)195

7.3.2疲勞裂紋擴展速率的數(shù)學表達式196

7.4疲勞強度指標(Fatigue Strength Index)197

7.4.1SN曲線與疲勞極限197

7.4.2過載持久值與過載損傷界198

7.4.3疲勞缺口敏感度(fatigue notch sensitivity)199

7.5影響疲勞性能的因素(Influencing Factors on Fatigue Properties)199

7.5.1載荷因素200

7.5.2表面狀態(tài)與尺寸因素201

7.5.3組織因素201

7.6低周疲勞(Low Cycle Fatigue)203

7.6.1低周疲勞的特點203

7.6.2低周疲勞的εN曲線204

7.6.3循環(huán)硬化與循環(huán)軟化205

7.7復合材料與陶瓷材料的疲勞(Fatigue of Composite Materials and Ceramics)205

7.7.1復合材料的疲勞205

7.7.2陶瓷材料的疲勞206

7.8超高周疲勞(Ultrahigh Cycle Fatigue)208

7.8.1超高周疲勞的概念及SN曲線特點208

7.8.2超高周疲勞的斷口特征及其機制209

參考文獻210

思考題211

8高溫及環(huán)境下的材料力學性能 Mechanical Properties Under the Action of Environment Media or at Hightemperature213

8.1材料的蠕變（Creep of Materials）213

8.1.1材料的蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線213

8.1.2蠕變過程中組織結(jié)構(gòu)的變化215

8.2蠕變變形及斷裂機制(Creep Deformation and Fracture Mechanism)215

8.2.1蠕變變形機制215

8.2.2蠕變損傷(creep damage）和斷裂機制217

8.3蠕變、持久強度極限及其外推法(Creep Limit and Rupture Strength Limit and Its Extrapolation Method)218

8.3.1蠕變極限和持久強度極限218

8.3.2蠕變持久強度數(shù)據(jù)的外推法219

8.4疲勞與蠕變的交互作用(Interaction of Fatigue and Creep)220

8.5高分子材料的黏彈性(Viscoelasticity of Polymer Materials)221

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

8.6.1抗熱震斷裂(thermal shock fracture)223

8.6.2抗熱震損傷(thermal shock damage)224

8.7熱疲勞(Thermal Fatigue)224

8.8應(yīng)力松弛(Stress Relaxation)225

8.8.1金屬中的應(yīng)力松弛現(xiàn)象225

8.8.2松弛穩(wěn)定性指標226

8.9影響材料高溫性能的因素(Influence Factors on High Temperature Property of Materials)226

8.9.1合金化學成分的影響226

8.9.2冶煉工藝及熱處理工藝的影響227

8.9.3晶粒度的影響227

8.10環(huán)境介質(zhì)作用下的力學性能(Mechanical Properties Under the Action of Environment Media)228

8.10.1應(yīng)力腐蝕(stress corrosion)228

8.10.2氫脆(hydrogen embrittlement)234

8.10.3腐蝕疲勞(corrosion fatigue)238

參考文獻240

思考題241

9材料的磨損和接觸疲勞Wear and Contact Fatigue of Materials243

9.1摩擦與磨損的基本概念(Concept of Friction Andwear)243

9.1.1摩擦及類型243

9.1.2磨損及類型244

9.1.3耐磨性(wear resistance)245

9.2磨損機制及提高磨損抗力的因素(Wear Mechanism and the Factors to Improve Wear Resistance)246

9.2.1氧化磨損(oxidative wear)246

9.2.2咬合磨損(occlusion wear)(類黏著磨損)247

9.2.3熱磨損(thermic wear)(第二類黏著磨損)248

9.2.4磨粒磨損(abrasive wear)249

9.2.5微動磨損(fretting wear)251

9.3材料磨損試驗方法 (Material Wear Test Method)252

9.3.1試驗方法分類252

9.3.2磨損試驗機252

9.3.3磨損量的測量方法253

9.4接觸疲勞(Contact Fatigue)254

9.4.1接觸應(yīng)力(contact stress)255

9.4.2接觸疲勞的類型257

9.5非金屬材料的磨損性能(Wear Properties of Nonmetallic Materials)263

參考文獻264

思考題265

索引266

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