本教材力图从材料性能的宏观规律和微观机理两方面出发，总结归纳材料性能的影响因素以及控制方法。其中，非常注重介绍材料的力学性能与其成分与结构、微观组织之间的关系，从而为材料的生产制备合理选择合金成分、生产及制备工艺提供依据。本教材的读者对象是材料专业的本科生。

本书主要讨论材料在各种条件下的变形与断裂行为。依据材料的力学行为遵循弹性变形—塑性变形—断裂的变化过程，将宏观性能与组织结构变化联系起来，除了金属材料以外，还对聚合物、陶瓷以及复合材料的力学行为作了一定的补充。既从力学角度，也从材料学角度对材料力学行为进行研究。第1章主要阐述了材料的弹性变形。第2，4，5～7,9章描述了材料在不同条件下表现出的变形和断裂行为，它们分别为室温下静载(第2章)、温度与加载速率的影响(第4章)、载荷大小与方向随时间变化的影响(第5章)、高温下的行为(第6章)、环境介质与载荷的联合作用(第7章)、纤维增强复合材料的力学行为(第9章)等。第3章介绍了断裂力学与断裂韧性的初步知识，引入了金属、陶瓷材料及聚合物的韧化方法。第8章为金属材料的强化。

本书可作为高等学校金属材料工程、材料成形与控制工程、冶金工程、机械设计等专业的教材。

第1章 材料的弹性与滞弹性1

 1.1 受力与变形的表述方法1

1.1.1 受力状态的表述1

1.1.2 变形的表述3

 1.2 材料的弹性概述4

1.2.1 材料的弹性变形与塑性变形4

1.2.2 材料的弹性类型5

1.2.3 工程材料的弹性特点6

 1.3 材料的弹性变形规律7

1.3.1 线弹性应力-应变关系——胡克定律7

1.3.2 晶体的弹性各向异性与广义胡克定律8

 1.4 线弹性材料的弹性常数10

1.4.1 各向同性材料的弹性常数10

1.4.2 晶体的弹性常数及其各向异性10

 1.5 线弹性变形的机理与影响因素13

1.5.1 材料弹性的结合键机制14

1.5.2 材料在键合机制下的弹性模量与相关因素15

 1.6 高分子材料的弹性与影响因素17

1.6.1 高分子材料的弹性变形17

1.6.2 原子结合键机制的弹性变形18

1.6.3 构象熵机制的弹性变形19

1.6.4 高弹体弹性的变形规律及影响因素20

 1.7 材料的刚度与异常弹性22

1.7.1 材料的刚度与比模量22

1.7.2 材料的弹性反常22

 1.8 材料的滞弹性24

1.8.1 滞弹性的标准线性固体模型25

1.8.2 标准线性固体的应力松弛与弹性后效26

1.8.3 一般情况下的应力-应变关系28

1.8.4 模量的频率特性及模量亏损29

 1.9 材料的内耗31

1.9.1 内耗性能指标32

1.9.2 标准线性固体的内耗特性33

1.9.3 斯诺克(Snoek)内耗峰及其微观机理34

1.9.4 斯诺克内耗峰的影响因素及应用35

1.9.5 其他弛豫型内耗37

1.9.6 静态滞后型内耗39

第2章 工程材料在静载下的力学行为42

 2.1 金属在静拉伸条件下的力学行为42

2.1.1 拉伸试验42

2.1.2 单向拉伸时的工程应力、应变与真应力、真应变43

2.1.3 单晶体金属材料拉伸过程的变形行为45

2.1.4 多晶塑性材料拉伸过程中工程应力应变曲线的一般形状49

2.1.5 力学参数测定50

2.1.6 材料的屈服53

2.1.7 均匀塑性变形阶段的Hollomon公式55

2.1.8 静拉伸条件下的颈缩现象与颈缩判据57

2.1.9 静拉伸条件下的断裂57

 2.2 陶瓷试验59

 2.3 聚合物的变形60

 2.4 应力状态对材料力学行为的影响60

2.4.1 应力状态软性系数α61

2.4.2 联合强度理论62

 2.5 应力集中与缺口效应66

2.5.1 孔的应力集中67

2.5.2 缺口效应68

2.5.3 缺口拉伸实验70

2.5.4 缺口效应与拉伸试样颈缩部位应力分布71

 2.6 其他静载试验方法71

2.6.1 压缩试验71

2.6.2 弯曲试验71

2.6.3 扭转试验72

2.6.4 硬度试验72

第3章 断裂与断裂韧性74

 3.1 断裂的分类方法75

3.1.1 按载荷、环境、温度进行分类76

3.1.2 根据断裂前塑性变形76

3.1.3 根据断裂面的取向76

3.1.4 根据裂纹扩展的途径77

3.1.5 根据断裂机制77

 3.2 裂纹形核与扩展的物理模型82

3.2.1 微裂纹形核的位错模型82

3.2.2 裂纹扩展模型83

 3.3 理论断裂强度84

3.3.1 理论断裂强度84

3.3.2 实际金属材料的脆断强度85

 3.4 Griffith脆断理论85

3.4.1 Griffith脆断理论85

3.4.2 Griffith裂纹模型及判据85

3.4.3 对一些断裂现象的解释86

3.4.4 对Griffith脆断理论的评价87

 3.5 Griffith方程的修正及裂纹扩张力G88

3.5.1 修改后的Griffith方程88

3.5.2 裂纹扩张力G的导出及G判据88

3.5.3 G判据与Gc的测定89

 3.6 应力强度因子K及断裂韧性KC89

3.6.1 线弹性断裂力学中规定的三类裂纹90

3.6.2 应力强度因子K90

3.6.3 K判据(应力强度因子断裂判据)，断裂韧性及其测定94

3.6.4 KⅠ及σ1，KⅠC及σs96

3.6.5 应力强度因子K及裂纹扩张力G96

 3.7 Ⅰ型裂纹尖端的塑性区及其应力强度因子的修正97

3.7.1 屈服判据及裂纹前沿应力分布97

3.7.2 小范围屈服裂纹前沿塑性区99

3.7.3 应力松弛对塑性区的影响99

3.7.4 应力强度因子KⅠ的塑性修正KⅠ，KⅠC理论应用范围小范围屈服101

 3.8 断裂韧性原理在工程上的应用103

 3.9 断裂韧性KⅠC与材料的韧化105

3.9.1 断裂韧性与断裂过程105

3.9.2 材料的韧化106

第4章 材料的脆性断裂和韧-脆转变114

 4.1 脆性断裂与材料的韧-脆转变114

4.1.1 脆性断裂问题114

4.1.2 材料韧-脆转变的影响因素115

 4.2 冲击载荷作用下金属变形与断裂的特点117

4.2.1 冲击载荷的特征118

4.2.2 冲击载荷下金属材料的变形与断裂118

 4.3 一次冲击试验与系列冲击试验119

4.3.1 一次冲击试验120

4.3.2 系列冲击试验121

4.3.3 冲击试验的工程应用123

 4.4 多次重复冲击试验125

第5章 材料的疲劳行为127

 5.1 金属与高分子材料的机械疲劳规律128

5.1.1 疲劳行为中作用应力的描述128

5.1.2 疲劳曲线与疲劳极限129

5.1.3 金属材料疲劳的经验规律130

 5.2 金属材料机械疲劳的机理132

5.2.1 金属材料疲劳裂纹萌生机理132

5.2.2 金属材料疲劳裂纹扩展134

5.2.3 金属疲劳宏观断口形貌138

 5.3 金属的机械疲劳性能与组织结构因素的关系139

5.3.1 疲劳极限与疲劳裂纹形核寿命的影响因素140

5.3.2 疲劳裂纹扩展的影响因素141

5.3.3 疲劳裂纹的扩展速率与寿命评估143

5.3.4 提高金属高周疲劳性能的特别措施143

5.3.5 提高低周疲劳寿命的措施145

 5.4 金属机械疲劳性能的其他影响因素146

5.4.1 循环应力参量影响与疲劳图146

5.4.2 帕姆格林-米勒(Palmgren-Miner)疲劳损伤累积假说148

5.4.3 循环应力频率的影响149

5.4.4 应力状态的影响150

5.4.5 疲劳特性的统计特征151

5.4.6 几何因素对金属疲劳性能的影响151

5.4.7 内禀疲劳与外延疲劳153

 5.5 金属材料的其他疲劳问题154

5.5.1 接触疲劳154

5.5.2 金属材料的热疲劳156

第6章 材料的高温强度与强化158

 6.1 材料在高温环境下力学行为的特点158

 6.2 金属和陶瓷的蠕变现象和规律159

 6.3 蠕变变形和断裂机理161

6.3.1 热激活与蠕变变形161

6.3.2 蠕变变形机理162

6.3.3 蠕变断裂机理166

 6.4 蠕变变形过程中的组织结构变化168

 6.5 工程蠕变数据的表示方法及长期性能的预测169

6.5.1 蠕变极限169

6.5.2 持久强度极限170

6.5.3 长期寿命预测172

 6.6 应力松弛173

 6.7 金属高温力学行为的影响因素与强化174

 6.8 超塑性176

6.8.1 金属超塑变形行为的特征176

6.8.2 金属超塑性机理177

6.8.3 结构陶瓷超塑性180

第7章 材料在介质与应力共同作用下的行为181

 7.1 应力腐蚀断裂181

7.1.1 应力腐蚀断裂的特征181

7.1.2 应力腐蚀断裂的机理184

7.1.3 应力腐蚀断裂的评定指标185

7.1.4 应力腐蚀断裂的预防措施187

 7.2 氢脆188

7.2.1 氢脆的分类188

7.2.2 可逆氢脆189

 7.3 腐蚀疲劳断裂193

7.3.1 腐蚀疲劳断裂的特点193

7.3.2 腐蚀疲劳断口的形貌特征194

7.3.3 腐蚀疲劳断裂的影响因素194

7.3.4 腐蚀疲劳断裂的机理195

7.3.5 腐蚀疲劳裂纹的扩展规律195

7.3.6 腐蚀疲劳断裂的防护措施196

第8章 金属材料的屈服强度与强化197

 8.1 概述197

 8.2 晶体材料中位错滑移的阻力199

8.2.1 晶体中位错的基本性质199

8.2.2 位错的晶格阻力及与材料塑性的关系200

8.2.3 位错滑移的其他阻力与强化202

 8.3 点钉扎203

8.3.1 点钉扎的强化效果203

8.3.2 非均匀分布钉扎点的强化效果204

 8.4 金属材料中的固溶强化205

8.4.1 对称畸变的固溶强化207

8.4.2 非对称畸变的固溶强化及与对称畸变固溶强化效果的比较208

8.4.3 固溶原子与位错的化学交互作用及其强化210

8.4.4 固溶原子的弹性模量差与位错的交互作用及其强化210

8.4.5 金属材料的应变时效现象211

 8.5 第二相强化212

8.5.1 金属材料中的第二相粒子特性213

8.5.2 位错切割粒子机制下的强化效果214

8.5.3 共格粒子的应力场的强化效果216

8.5.4 奥罗万(Orowan)绕过机制下的强化效果216

8.5.5 金属材料时效过程分析217

 8.6 加工硬化与晶界强化218

8.6.1 加工硬化219

8.6.2 晶界强化219

第9章 纤维增强复合材料及其力学行为222

 9.1 纤维强化机理224

 9.2 纤维材料的特性227

 9.3 基体材料的特性228

 9.4 界面特性及作用229

 9.5 实际的复合材料体系230

9.5.1 金属基复合材料231

9.5.2 聚合物基复合材料231

9.5.3 陶瓷基复合材料232

9.5.4 碳-碳复合材料233

 9.6 定向纤维复合材料力学行为预测233

9.6.1 纤维直径、体积分数以及复合材料密度的估算233

9.6.2 弹性模量和强度的估算233

9.6.3 复合材料的断裂模式及断裂的能量吸收机制237

9.6.4 复合材料的疲劳特性240

参考文献243