內容簡介
《材料力學行為》主要討論材料在各種條件下的變形與斷裂行為。依據材料的力學行為遵循彈性變形—塑性變形—斷裂的變化過程,將宏觀性能與組織結構變化聯係起來,除瞭金屬材料以外,還對聚閤物、陶瓷以及復閤材料的力學行為作瞭一定的補充。既從力學角度,也從材料學角度對材料力學行為進行研究。第1章主要闡述瞭材料的彈性變形。第2,4,5~7,9章描述瞭材料在不同條件下錶現齣的變形和斷裂行為,它們分彆為室溫下靜載(第2章)、溫度與加載速率的影響(第4章)、載荷大小與方嚮隨時間變化的影響(第5章)、高溫下的行為(第6章)、環境介質與載荷的聯閤作用(第7章)、縴維增強復閤材料的力學行為(第9章)等。第3章介紹瞭斷裂力學與斷裂韌性的初步知識,引入瞭金屬、陶瓷材料及聚閤物的韌化方法。第8章為金屬材料的強化。
《材料力學行為》可作為高等學校金屬材料工程、材料成形與控製工程、冶金工程、機械設計等專業的教材。
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目錄
第1章 材料的彈性與滯彈性
1.1 受力與變形的錶述方法
1.1.1 受力狀態的錶述
1.1.2 變形的錶述
1.2 材料的彈性概述
1.2.1 材料的彈性變形與塑性變形
1.2.2 材料的彈性類型
1.2.3 工程材料的彈性特點
1.3 材料的彈性變形規律
1.3.1 綫彈性應力�燦Ρ涔叵怠�—鬍剋定律
1.3.2 晶體的彈性各嚮異性與廣義鬍剋定律
1.4 綫彈性材料的彈性常數
1.4.1 各嚮同性材料的彈性常數
1.4.2 晶體的彈性常數及其各嚮異性
1.5 綫彈性變形的機理與影響因素
1.5.1 材料彈性的結閤鍵機製
1.5.2 材料在鍵閤機製下的彈性模量與相關因素
1.6 高分子材料的彈性與影響因素
1.6.1 高分子材料的彈性變形
1.6.2 原子結閤鍵機製的彈性變形
1.6.3 構象熵機製的彈性變形
1.6.4 高彈體彈性的變形規律及影響因素
1.7 材料的剛度與異常彈性
1.7.1 材料的剛度與比模量
1.7.2 材料的彈性反常
1.8 材料的滯彈性
1.8.1 滯彈性的標準綫性固體模型
1.8.2 標準綫性固體的應力鬆弛與彈性後效
1.8.3 一般情況下的應力�燦Ρ涔叵�
1.8.4 模量的頻率特性及模量虧損
1.9 材料的內耗
1.9.1 內耗性能指標
1.9.2 標準綫性固體的內耗特性
1.9.3 斯諾剋(Snoek)內耗峰及其微觀機理
1.9.4 斯諾剋內耗峰的影響因素及應用
1.9.5 其他弛豫型內耗
1.9.6 靜態滯後型內耗
第2章 工程材料在靜載下的力學行為
2.1 金屬在靜拉伸條件下的力學行為
2.1.1 拉伸試驗
2.1.2 單嚮拉伸時的工程應力、應變與真應力、真應變
2.1.3 單晶體金屬材料拉伸過程的變形行為
2.1.4 多晶塑性材料拉伸過程中工程應力應變麯綫的一般形狀
2.1.5 力學參數測定
2.1.6 材料的屈服
2.1.7 均勻塑性變形階段的Hollomon公式
2.1.8 靜拉伸條件下的頸縮現象與頸縮判據
2.1.9 靜拉伸條件下的斷裂
2.2 陶瓷試驗
2.3 聚閤物的變形
2.4 應力狀態對材料力學行為的影響
2.4.1 應力狀態軟性係數α
2.4.2 聯閤強度理論
2.5 應力集中與缺口效應
2.5.1 孔的應力集中
2.5.2 缺口效應
2.5.3 缺口拉伸實驗
2.5.4 缺口效應與拉伸試樣頸縮部位應力分布
2.6 其他靜載試驗方法
2.6.1 壓縮試驗
2.6.2 彎麯試驗
2.6.3 扭轉試驗
2.6.4 硬度試驗
第3章 斷裂與斷裂韌性
3.1 斷裂的分類方法
3.1.1 按載荷、環境、溫度進行分類
3.1.2 根據斷裂前塑性變形
3.1.3 根據斷裂麵的取嚮
3.1.4 根據裂紋擴展的途徑
3.1.5 根據斷裂機製
3.2 裂紋形核與擴展的物理模型
3.2.1 微裂紋形核的位錯模型
3.2.2 裂紋擴展模型
3.3 理論斷裂強度
3.3.1 理論斷裂強度
3.3.2 實際金屬材料的脆斷強度
3.4 Griffith脆斷理論
3.4.1 Griffith脆斷理論
3.4.2 Griffith裂紋模型及判據
3.4.3 對一些斷裂現象的解釋
3.4.4 對Griffith脆斷理論的評價
3.5 Griffith方程的修正及裂紋擴張力G
3.5.1 修改後的Griffith方程
3.5.2 裂紋擴張力G的導齣及G判據
3.5.3 G判據與Gc的測定
3.6 應力強度因子K及斷裂韌性KC
3.6.1 綫彈性斷裂力學中規定的三類裂紋
3.6.2 應力強度因子K
3.6.3 K判據(應力強度因子斷裂判據),斷裂韌性及其測定
3.6.4 KⅠ及σ1,KⅠC及σs
3.6.5 應力強度因子K及裂紋擴張力G
3.7 Ⅰ型裂紋尖端的塑性區及其應力強度因子的修正
3.7.1 屈服判據及裂紋前沿應力分布
3.7.2 小範圍屈服裂紋前沿塑性區
3.7.3 應力鬆弛對塑性區的影響
3.7.4 應力強度因子KⅠ的塑性修正KⅠ,KⅠC理論應用範圍小範圍屈服
3.8 斷裂韌性原理在工程上的應用
3.9 斷裂韌性KⅠC與材料的韌化
3.9.1 斷裂韌性與斷裂過程
3.9.2 材料的韌化
第4章 材料的脆性斷裂和韌�泊嘧�變
4.1 脆性斷裂與材料的韌�泊嘧�變
4.1.1 脆性斷裂問題
4.1.2 材料韌�泊嘧�變的影響因素
4.2 衝擊載荷作用下金屬變形與斷裂的特點
4.2.1 衝擊載荷的特徵
4.2.2 衝擊載荷下金屬材料的變形與斷裂
4.3 一次衝擊試驗與係列衝擊試驗
4.3.1 一次衝擊試驗
4.3.2 係列衝擊試驗
4.3.3 衝擊試驗的工程應用
4.4 多次重復衝擊試驗
第5章 材料的疲勞行為
5.1 金屬與高分子材料的機械疲勞規律
5.1.1 疲勞行為中作用應力的描述
5.1.2 疲勞麯綫與疲勞極限
5.1.3 金屬材料疲勞的經驗規律
5.2 金屬材料機械疲勞的機理
5.2.1 金屬材料疲勞裂紋萌生機理
5.2.2 金屬材料疲勞裂紋擴展
5.2.3 金屬疲勞宏觀斷口形貌
5.3 金屬的機械疲勞性能與組織結構因素的關係
5.3.1 疲勞極限與疲勞裂紋形核壽命的影響因素
5.3.2 疲勞裂紋擴展的影響因素
5.3.3 疲勞裂紋的擴展速率與壽命評估
5.3.4 提高金屬高周疲勞性能的特彆措施
5.3.5 提高低周疲勞壽命的措施
5.4 金屬機械疲勞性能的其他影響因素
5.4.1 循環應力參量影響與疲勞圖
5.4.2 帕姆格林�裁桌眨≒almgren�睲iner)疲勞損傷纍積假說
5.4.3 循環應力頻率的影響
5.4.4 應力狀態的影響
5.4.5 疲勞特性的統計特徵
5.4.6 幾何因素對金屬疲勞性能的影響
5.4.7 內稟疲勞與外延疲勞
5.5 金屬材料的其他疲勞問題
5.5.1 接觸疲勞
5.5.2 金屬材料的熱疲勞
第6章 材料的高溫強度與強化
6.1 材料在高溫環境下力學行為的特點
6.2 金屬和陶瓷的蠕變現象和規律
6.3 蠕變變形和斷裂機理
6.3.1 熱激活與蠕變變形
6.3.2 蠕變變形機理
6.3.3 蠕變斷裂機理
6.4 蠕變變形過程中的組織結構變化
6.5 工程蠕變數據的錶示方法及長期性能的預測
6.5.1 蠕變極限
6.5.2 持久強度極限
6.5.3 長期壽命預測
6.6 應力鬆弛
6.7 金屬高溫力學行為的影響因素與強化
6.8 超塑性
6.8.1 金屬超塑變形行為的特徵
6.8.2 金屬超塑性機理
6.8.3 結構陶瓷超塑性
第7章 材料在介質與應力共同作用下的行為
7.1 應力腐蝕斷裂
7.1.1 應力腐蝕斷裂的特徵
7.1.2 應力腐蝕斷裂的機理
7.1.3 應力腐蝕斷裂的評定指標
7.1.4 應力腐蝕斷裂的預防措施
7.2 氫脆
7.2.1 氫脆的分類
7.2.2 可逆氫脆
7.3 腐蝕疲勞斷裂
7.3.1 腐蝕疲勞斷裂的特點
7.3.2 腐蝕疲勞斷口的形貌特徵
7.3.3 腐蝕疲勞斷裂的影響因素
7.3.4 腐蝕疲勞斷裂的機理
7.3.5 腐蝕疲勞裂紋的擴展規律
7.3.6 腐蝕疲勞斷裂的防護措施
第8章 金屬材料的屈服強度與強化
8.1 概述
8.2 晶體材料中位錯滑移的阻力
8.2.1 晶體中位錯的基本性質
8.2.2 位錯的晶格阻力及與材料塑性的關係
8.2.3 位錯滑移的其他阻力與強化
8.3 點釘紮
8.3.1 點釘紮的強化效果
8.3.2 非均勻分布釘紮點的強化效果
8.4 金屬材料中的固溶強化
8.4.1 對稱畸變的固溶強化
8.4.2 非對稱畸變的固溶強化及與對稱畸變固溶強化效果的比較
8.4.3 固溶原子與位錯的化學交互作用及其強化
8.4.4 固溶原子的彈性模量差與位錯的交互作用及其強化
8.4.5 金屬材料的應變時效現象
8.5 第二相強化
8.5.1 金屬材料中的第二相粒子特性
8.5.2 位錯切割粒子機製下的強化效果
8.5.3 共格粒子的應力場的強化效果
8.5.4 奧羅萬(Orowan)繞過機製下的強化效果
8.5.5 金屬材料時效過程分析
8.6 加工硬化與晶界強化
8.6.1 加工硬化
8.6.2 晶界強化
第9章 縴維增強復閤材料及其力學行為
9.1 縴維強化機理
9.2 縴維材料的特性
9.3 基體材料的特性
9.4 界麵特性及作用
9.5 實際的復閤材料體係
9.5.1 金屬基復閤材料
9.5.2 聚閤物基復閤材料
9.5.3 陶瓷基復閤材料
9.5.4 碳�蔡幾春喜牧�
9.6 定嚮縴維復閤材料力學行為預測
9.6.1 縴維直徑、體積分數以及復閤材料密度的估算
9.6.2 彈性模量和強度的估算
9.6.3 復閤材料的斷裂模式及斷裂的能量吸收機製
9.6.4 復閤材料的疲勞特性
參考文獻
精彩書摘
第2章 工程材料在靜載下的力學行為
用於承受載荷作用的材料稱為結構材料。它們可以是金屬、陶瓷、聚閤物以及復閤材料,在相同的載荷方式和環境的聯閤作用下,上述各類材料錶現齣的力學行為,即變形和斷裂行為是截然不同的。
變形和斷裂是固體物質承受外力時,隨外力增大所必然發生的普遍現象。對於晶體結構材料來說,從變形到斷裂的全過程總是由彈性變形、塑性變形和斷裂三個階段構成。在變形開始階段,外加載荷較小,卸載後,物體變形消失並完全恢復原狀,這種變形稱為“彈性變形”。關於“彈性變形”的相關內容在第一章 中已詳細描述。當外力繼續增大到某一數值後再卸載時,物體發生的變形不能完全消失,這時材料進入塑性變形階段。
對於金屬材料,形變抗力隨塑性變形的發展而提高,稱為應變硬化現象。金屬材料具有彈性、塑性和應變硬化的能力,是金屬材料優於其他固體物質而在工程技術上被廣泛應用的原因之一。由於金屬和陶瓷的初級結閤鍵的類型不同,陶瓷材料中的位錯運動受到嚴格限製,很少呈現明顯的塑性變形,錶現齣固有的脆性。與金屬和陶瓷相比,聚閤物通常呈現較低的彈性模量和較低的斷裂強度,較高的延伸率。聚閤物的另一個重要特性是其力學性能與時間的相關性,即錶現齣彈性應變的時問相關性——滯彈性,以及室溫下的“蠕變”現象。
當塑性變形進行到一定程度時,材料內部齣現裂紋。在外力作用下,裂紋擴展,最終導緻斷裂。塑性變形行為和包含裂紋萌生與擴展的斷裂階段的錶現,受各種外界因素如加載條件、應力狀態、溫度、應變速率、環境介質,及材料本身狀態如組織結構的顯著影響。可以說,彈性變形、塑性變形和斷裂這三個階段是金屬材料在外力作用下所産生的基本現象。雖然說斷裂清楚地顯示瞭零件的失效,但應該指齣的是,失效可能發生在斷裂之前。在許多情況下,導緻失效的是斷裂之前發生的塑性變形,比如,載重卡車超載運行或駛入坑窪地時車軸發生彎麯,就是構件並沒有斷裂但是卻已失效的例子之一。
單嚮拉伸試驗可以錶現齣一般塑性材料從變形到斷裂全過程中的力學行為。本章首先從金屬材料最典型的拉伸試驗結果,即從應力一應變麯綫開始,探討從彈性變形過渡到塑性變形、頸縮到斷裂全過程的基本特點、機製及物理本質。然後針對不同材料考慮測定其抵抗失效能力的方法。
前言/序言
材料是人類社會物質文明的基礎,被稱作現代社會文明的四大支柱之一。具備特殊的性能或者優異的綜閤性能是所有工程材料的共性特徵。因此,材料性能是從事材料的研究、生産和應用的科學研究與工程技術人員共同關心的內容。
依據材料的性能錶現——也就是受到外界因素作用時發生的狀態變化屬於物理範圍還是化學範圍,將材料的性能劃分為物理性能和化學性能兩大類。從所使用材料的數量看,工程材料的絕大部分都是在承受載荷作用,稱作結構材料;與之相對的是所謂的功能材料,主要利用它們在電、磁、光、熱、聲等方麵的一些特殊物理性能。由於工程上結構材料數量多,暴露的問題非常多,相關的研究工作細緻,而其實際意義重大,有關材料承受應力作用時錶現齣來的性能——材料的力學性能,或者稱作機械性能,從材料的物理性能中單獨分離齣來。這樣,材料的性能通常劃分為化學性能、物理性能和力學性能。
從研究角度看,材料性能可以簡單地歸結為材料在一定外界條件下,對於外部作用的響應。其中的外界條件是指使材料狀態發生變化的作用因素,分為主要作用因素和環境因素。其中的主要作用因素包括應力、溫度、磁場、電場、化學介質、輻照等一種或者一種以上的聯閤作用,而環境因素則是指環境溫度與介質。所謂的狀態變化,包括形狀、錶觀等各種各樣關係到材料使用需求的性質。
材料性能的突齣特點為其涵蓋麵的廣泛性。這樣,處理材料性能問題時,掌握一定的方法,能夠舉一反三,從而能夠快速地掌握某種新的材料性能,是很重要的。推薦給讀者的基本處理方法包括以下四個互相關聯的方麵。
材料科學與工程前沿探索 本書聚焦於材料科學領域的前沿研究與應用,旨在為材料學、化學工程、機械工程等相關專業的師生及研究人員提供深入、係統的參考。全書內容涵蓋瞭從基礎理論到尖端技術的多個維度,力求展現材料科學跨學科融閤的廣闊前景。 第一章:先進材料的結構與性能調控 本章深入探討瞭新型功能材料的設計原理及其微觀結構如何影響宏觀性能。重點分析瞭晶體結構、微觀缺陷(如位錯、晶界)與材料力學性能、電學性能及熱學性能之間的內在聯係。 1.1 納米尺度下的材料行為 從量子力學角度審視材料在納米尺度上的特性。討論瞭量子尺寸效應、錶麵能對納米顆粒穩定性的影響,以及在原子尺度上進行材料結構設計的方法。詳細闡述瞭通過精確控製晶粒尺寸對材料硬度、韌性和催化性能的調控策略。 1.2 復閤材料的多尺度建模 針對縴維增強復閤材料和基體材料的界麵問題,本章引入瞭先進的多尺度數值模擬方法。內容包括:從分子動力學模擬界麵相互作用,到有限元分析宏觀力學響應的全過程。特彆關注瞭在極端載荷條件下(如超高速衝擊、高低溫循環)復閤材料的失效模式與壽命預測。 1.3 智能材料與自適應係統 智能材料,如形狀記憶閤金、壓電陶瓷和磁流變液,是本章的另一核心內容。探討瞭這些材料如何響應外界刺激(溫度、電場、磁場)實現功能轉換。詳細解析瞭智能驅動器、傳感器及其在結構健康監測(SHM)和主動減振係統中的應用案例。 第二章:計算材料學與數據驅動的材料發現 隨著計算能力的飛速發展,計算材料學已成為加速新材料研發的關鍵驅動力。本章係統介紹瞭用於材料模擬和性能預測的主流計算方法。 2.1 第一性原理計算在材料設計中的應用 闡述瞭基於密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算方法。內容涵蓋瞭計算晶體結構弛豫、電子能帶結構、缺陷形成能及反應能壘的流程和注意事項。通過實例,展示瞭如何利用DFT預測新型催化劑的活性位點和半導體材料的載流子遷移率。 2.2 分子動力學模擬的進階技術 超越傳統的牛頓力學模擬,本章介紹瞭增強采樣技術(如Metadynamics、Umbrella Sampling)在研究稀有事件(如原子擴散、相變過程)中的應用。重點討論瞭如何構建適用於復雜體係(如高分子熔體、生物材料)的精確力場參數。 2.3 材料信息學與高通量計算 係統介紹瞭機器學習(ML)在材料科學中的整閤應用。內容包括:特徵工程(Descriptor Selection)、基於圖神經網絡(GNN)的材料結構錶徵,以及如何利用高通量計算數據庫(如Materials Project)訓練預測模型,實現對未知材料體係的快速篩選和性能預測。 第三章:極端環境下的材料失效分析與防護 材料在航空航天、核能、深海工程等領域麵臨著前所未有的嚴苛環境挑戰。本章專注於理解和應對這些環境導緻的材料退化機製。 3.1 高溫與蠕變斷裂 詳細分析瞭高溫下材料的穩態與非穩態蠕變過程。討論瞭晶內滑移、晶界擴散、空洞形核與聚閤並導緻的蠕變斷裂判據。針對鎳基高溫閤金,深入剖析瞭其微觀結構演化(如$gamma'$相的析齣與粗化)對持久壽命的影響。 3.2 輻照損傷與材料的抗輻照性能 針對核反應堆和粒子加速器中的材料問題,本章闡述瞭高能粒子輻照如何産生空位、間隙原子等初級輻射損傷(PKA),以及這些缺陷如何聚集形成微觀空洞或相分離。討論瞭通過元素閤金化或引入納米沉澱物來“釘紮”缺陷,提高材料抗輻照性能的策略。 3.3 應力腐蝕開裂與氫脆現象 腐蝕與力學載荷的耦閤作用是導緻結構突發失效的主要原因之一。本章聚焦於應力腐蝕開裂(SCC)的電化學與斷裂力學機製。特彆關注瞭高強度鋼在濕氫環境下的氫緻延遲斷裂(HEDE)現象,分析瞭氫原子在材料內部的擴散、富集路徑及其對晶界脆化的影響。 第四章:麵嚮可持續發展的綠色材料與製造 本章探討瞭如何響應全球對能源效率和環境保護的需求,開發環境友好的新型材料和先進製造技術。 4.1 生物基與可降解聚閤物 介紹瞭從可再生資源中提取和閤成的生物聚閤物(如PLA、PHA)的結構特性和力學性能。探討瞭如何通過共聚或添加增韌劑來剋服純生物材料在強度和耐熱性方麵的局限性,使其應用於包裝、醫療植入物等領域。 4.2 增材製造(3D打印)中的材料控製 重點分析瞭選擇性激光熔化(SLM)、電子束熔化(EBM)等金屬增材製造工藝中,快速凝固過程對材料微結構的影響。討論瞭層間結閤強度、殘餘應力、未熔閤缺陷的形成機理,並提齣瞭通過優化工藝參數實現定嚮凝固和梯度材料製造的技術路徑。 4.3 儲能材料的電化學性能優化 聚焦於下一代電池和超級電容器材料。深入分析瞭鋰離子電池正負極材料(如高鎳三元材料、矽基負極)在充放電循環過程中的體積膨脹、錶麵界麵副反應(SEI膜演變)等關鍵問題。探討瞭固態電解質的研究進展及其對提高電池安全性和能量密度的潛力。 --- 本書特色: 深度與廣度兼顧: 理論深度直達前沿研究熱點,同時兼顧瞭工程應用的實際需求。 跨學科整閤: 緊密結閤物理、化學、信息科學的最新成果,體現材料科學的交叉性。 強調計算與實驗的結閤: 突齣材料性能的“正嚮設計”與“反嚮驗證”的閉環研究範式。 麵嚮未來挑戰: 關注能源、環境和極端服役條件下的核心科學問題。 本書適閤作為材料科學與工程、物理學、化學工程等專業高年級本科生和研究生的參考教材,亦可供相關領域的研究人員和工程師參考。