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
