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1.1 材料与材料的性能 1

1.1.1　材料的概念与分类 1

第1章 概论 1

1.1.2　材料科学与工程的基本要素 2

1.1.3　材料的性能 3

1.2　材料性能的分析方法 4

1.2.1　黑箱法 4

1.2.2　相关法（灰箱法） 5

1.2.3　过程法（白箱法） 5

1.2.4　环境法 5

1.3　材料的力学性能 6

1.3.1　材料力学性能的概念与分类 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 8

1.4.2　本书的编写思路 10

1.4　本书的特点、编写思路与教学安排 10

1.4.1　材料力学性能课程的现状与发展趋势 10

1.4.3　材料力学性能课程的教学安排 11

复习思考题 12

第2章　材料的静载拉伸力学性能 13

2.1　静载拉伸试验 13

2.1.1　应力—应变曲线 13

2.1.2　拉伸性能指标 18

2.1.3　塑性指标及其意义 20

2.2　弹性变形 22

2.2.1　弹性变形及其物理本质 22

2.2.2　弹性性能的工程意义 26

2.2.3　弹性不完整性 30

2.3　塑性变形 34

2.3.1　金属材料的塑性变形机制与特点 35

2.3.2　屈服现象及其本质 36

2.3.3　真实应力—应变曲线及形变强化规律 37

2.3.4　陶瓷材料的塑性变形 40

2.4　材料的断裂 43

2.4.1　金属材料的断裂 44

2.4.2　陶瓷材料的断裂 51

2.4.3　高分子材料的断裂 51

复习思考题 56

第3章　材料在其他载荷下的力学性能 58

3.1 应力状态系数和力学状态图 58

3.1.1　应力状态系数 59

3.1.2　力学状态图 60

3.2　材料的扭转、弯曲、压缩和剪切 61

3.2.1　材料的扭转 61

3.2.2　材料的弯曲 64

3.2.3　材料的压缩 67

3.2.4　材料的剪切 69

3.2.5　几种静载试验方法的比较 70

3.3.2　布氏硬度 71

3.3　材料的硬度 71

3.3.1　硬度的概念与分类 71

3.3.3　洛氏硬度 75

3.3.4　维氏硬度 78

3.3.5　显微硬度 79

3.3.6　肖氏硬度 80

3.3.7　莫氏硬度 80

3.3.8　常用材料的硬度 81

3.3.9　硬度与其他力学性能指标的关系 82

3.4　缺口试样的力学性能 83

3.4.1　缺口效应 83

3.4.2　缺口试样的力学性能 87

3.5　材料在冲击载荷下的力学性能 92

3.5.1　加载速率与应变速率 92

3.5.2　冲击载荷的能量性质 92

3.5.3　冲击载荷下材料变形与断裂的特点 93

3.5.4　缺口试样的冲击试验和冲击韧性 94

3.5.5　冲击试样断裂过程分析 97

3.5.6　冲击试验的应用 99

3.6　材料的低温脆性 100

3.6.1　低温脆性现象 100

3.6.2　低温脆性的本质 101

3.6.3　低温脆性的评定 101

3.6.4　低温脆性的影响因素 107

复习思考题 112

第4章　材料的断裂韧性 114

4.1　理论断裂强度 114

4.2　Griffith断裂理论 115

4.3　裂纹扩展的能量判据 117

4.4　裂纹顶端的应力场 118

4.4.1　三种裂纹类型 118

4.4.3　应力强度因子K1 119

4.4.2 Ⅰ型裂纹顶端的应力场 119

4.4.4　断裂判据 120

4.4.5　几种常见裂纹的应力强度因子 121

4.5　应力强度因子的塑性区修正 124

4.5.1　裂纹顶端的塑性区 124

4.5.2　应力强度因子的塑性区修正 126

4.6　断裂韧性KIC的测试 127

4.6.1　三点弯曲法 127

4.6.3 Vicker压痕法 129

4.6.2　紧凑拉伸法 129

4.7　材料强度的统计性质 130

4.7.1　材料强度波动的分析 130

4.7.2　强度的统计分析 130

4.7.3　求应力函数的方法及韦伯模数分布 131

4.7.4　韦伯模数中m及σ0的求法 132

4.7.5　有效体积的计算 132

4.7.6　韦伯统计的应用及实例 133

4.8.1　外因（板厚和实验条件） 134

4.8　影响断裂韧性KIC的因素 134

4.8.2　内因（材料因素） 135

4.8.3　KIC与静载力学性能指标的关系 136

4.8.4　提高陶瓷材料断裂韧性的常用方法 137

4.9　R曲线 140

4.10　弹塑性条件下的断裂韧性概述 141

4.10.1 J积分 142

4.10.2 裂纹顶端张开位移（COD） 143

复习思考题 145

第5章　材料在变动载荷下的力学性能 146

5.1 变动载荷（应力）和疲劳破坏的特征 146

5.1.1　变动载荷（应力）及其描述参量 146

5.1.2　疲劳破坏特征和断口形式 147

5.2 高周疲劳 147

5.2.1 S—N曲线和疲劳极限 148

5.2.2　循环应力特性对S—N曲线的影响 152

5.2.3　表面几何因素对高周疲劳特性的影响 153

5.2.4　应力变动和累积损伤 154

5.3　低周疲劳 155

5.3.1　滞后回线 156

5.3.2　循环硬化和循环软化 157

5.3.3　循环应力—应变曲线 157

5.3.4　应变—寿命曲线 158

5.4　热疲劳 159

5.5.1　应力、裂纹长度与疲劳裂纹扩展的关系 160

5.5　疲劳裂纹扩展 160

5.5.2　疲劳裂纹扩展寿命的估算 161

5.6　疲劳裂纹萌生和扩展机理 163

5.6.1　疲劳裂纹的萌生 163

5.6.2　疲劳裂纹扩展的方式和机理 165

5.7 改善疲劳强度的方法 166

5.8　聚合物的疲劳 166

5.8.1　聚合物的S—N曲线和疲劳极限 166

5.9.1　静疲劳 167

5.8.2　聚合物的疲劳裂纹扩展 167

5.9 陶瓷材料的疲劳 167

5.9.2　循环应力疲劳 168

复习思考题 168

第6章　材料在环境条件下的力学性能 170

6.1　应力腐蚀断裂 171

6.1.1　应力腐蚀断裂的特点 171

6.1.2　典型材料的应力腐蚀 172

6.1.3　应力腐蚀断裂的测试方法与评价指标 173

6.1.4　应力腐蚀断裂的影响因素 179

6.1.5　应力腐蚀断裂的机理 180

6.1.6　应力腐蚀断裂的防护措施 182

6.2　氢致断裂 183

6.2.1　金属中的氢 183

6.2.2　氢致断裂的类型和特点 184

6.2.3　氢致滞后断裂的机理 186

6.2.4　氢致断裂与应力腐蚀断裂的关系 187

6.2.5　氢致断裂的测试与评价 188

6.2.6　氢致断裂的防护措施 189

6.3　腐蚀疲劳断裂 190

6.3.1　腐蚀疲劳断裂的特点 190

6.3.2　腐蚀疲劳断裂的机制 191

6.3.3　腐蚀疲劳裂纹的扩展速率 192

6.3.4　腐蚀疲劳的影响因素 193

6.3.5　腐蚀疲劳的防护措施 195

6.4 腐蚀磨损脆性 196

6.4.1　腐蚀磨损脆性的现象和特点 196

6.4.2　腐蚀磨损脆性的机制 197

6.4.3　典型材料的腐蚀磨损脆性 198

6.4.4　腐蚀磨损脆性的测试方法与评价指标 203

6.4.5　腐蚀磨损脆性与应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳的关系 205

6.4.6　腐蚀磨损脆性的防护措施 206

6.5.1　辐照损伤 207

6.5　辐照脆性 207

6.5.2　辐照效应 208

6.5.3　辐照致脆机理 210

6.5.4　辐照损伤的回复与控制 212

6.6　液（固）态金属脆性 213

6.6.1　金属脆性的现象和特点 213

6.6.2　典型材料的金属脆性 214

6.6.3　金属脆性的机制 217

6.7　无机材料的环境脆性 219

6.7.1　无机材料环境脆性的现象和特点 219

6.7.2　玻璃和陶瓷材料的环境脆性 220

6.7.3　无机材料环境脆性的裂纹扩展速率 222

6.7.4　无机材料环境脆性的机制 223

6.8　高聚物的环境脆性 224

6.8.1　水性介质中聚合物的脆性 225

6.8.2　有机溶剂体系中聚合物的应力开裂 226

复习思考题 228

第7章　材料在高温条件下的力学性能 231

7.1　材料的蠕变 232

7.1.1　蠕变曲线 232

7.1.2　蠕变机制 233

7.1.3　蠕变的影响因素 235

7.2　蠕变极限及持久强度 238

7.2.1　蠕变极限 238

7.2.2　持久强度 238

7.2.3 蠕变极限和持久强度的影响因素 240

7.3 应力松弛 241

7.3.1　金属材料的应力松弛 241

7.3.2　高分子材料的应力松弛 242

7.4　高温疲劳及疲劳与蠕变的交互作用 243

7.4.1　基本加载方式和σ—ε曲线 243

7.4.2　高温疲劳的一般规律 244

7.4.3　疲劳和蠕变的交互作用 246

7.5.2　热暴露的特点 248

7.5.1　热暴露评定指标 248

7.5 高温热暴露 248

7.5.3　热暴露的影响因素 249

7.5.4　热暴露机理 250

7.6　陶瓷材料的抗热震性 250

7.6.1　抗热震断裂 251

7.6.2　抗热震损伤 251

7.6.3　陶瓷涂层的热震寿命 251

7.7 温度对聚合物力学性能的影响 252

复习思考题 254

第8章　材料的摩擦与磨损性能 255

8.1 材料的表面形态与接触 255

8.1.1　表面形貌参数 255

8.1.2　材料的表面结构和表面性质 259

8.1.3　粗糙表面的接触 261

8.2.1　摩擦的概念与分类 264

8.2　材料的摩擦 264

8.2.2　经典摩擦理论 265

8.2.3　分子—机械摩擦理论 266

8.2.4　黏着摩擦理论 268

8.3　材料的磨损 271

8.3.1　磨损的概念与分类 271

8.3.2　磨损过程 273

8.3.3　黏着磨损 275

8.3.4　磨粒磨损 278

8.3.5　疲劳磨损 283

8.3.6　腐蚀磨损 286

8.3.7　冲蚀磨损与微动磨损 288

8.4　摩擦磨损的测试方法 292

8.4.1　摩擦磨损测试仪器 292

8.4.2　摩擦磨损的测量与评定 294

8.5　摩擦磨损的控制 296

8.5.1　润滑剂的使用 296

8.5.2　摩擦副材料的选择 298

8.5.3　材料的表面改性与强化 299

复习思考题 300

第9章　纳米材料的力学性能 302

9.1 纳米材料与纳米科技 302

9.1.1　纳米材料的定义 302

9.1.2　纳米材料的分类 302

9.2　纳米材料力学性能概述 303

9.3 纳米金属材料的力学性能 306

9.3.1　纳米金属的强度 306

9.3.2　纳米金属的塑性 307

9.4　纳米非金属材料的力学性能 310

9.4.1　纳米陶瓷材料的力学性能 310

9.4.2 Y-TZP陶瓷断裂表面的超塑性变形 311

9.5　碳纳米材料的力学性能 313

9.5.1　纳米碳管力学性能的理论研究 313

9.5.2　纳米碳管的Stone-Wales变形 315

9.5.3　纳米碳管断裂的理论分析 317

9.5.4　纳米碳管力学性能的实验研究 318

9.6　纳米复合材料的力学性能 327

9.6.1　金属纳米复合材料 327

9.6.2　陶瓷纳米复合材料 331

9.6.3　碳纳米管复合材料 332

9.6.4　聚合物纳米复合材料 337

9.7　纳米材料的蠕变与超塑性 343

9.7.1　纳米材料的蠕变 343

9.7.2　纳米材料的超塑性 347

复习思考题 349

附录 351

附录1 材料力学性能中的常用单位换算表 351

附录2 常用材料的力学性能 352

附录3　部分材料的平面应变断裂韧性KIC 353

附录4　部分工程材料的疲劳门槛值△Kth 354

参考文献 355