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1 绪论1

1.1 材料在人类历史中的作用及发展趋势1

1.2 各种材料的特性2

1.3 结构材料的损伤与断裂4

1.4 结构材料的安全评价与断裂力学的发展6

1.5 本书的构成10

思考题10

2 材料在静载荷下的力学性能12

2.1 材料的拉伸性能12

2.1.1 拉伸曲线和应力-应变曲线12

2.1.2 脆性材料的拉伸性能21

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 复合材料的拉伸性能28

2.2 材料在其他静载荷下的力学性能30

2.2.1 加载方式与应力状态图30

2.2.2 扭转（torsion）32

2.2.3 弯曲（bending）35

2.2.4 压缩（compression）37

2.3 硬度（hardness）39

2.3.1 硬度试验的特点39

2.3.2 布氏硬度40

2.3.3 洛氏硬度41

2.3.4 维氏硬度43

2.3.5 显微硬度44

2.3.6 肖氏硬度45

思考题45

3 材料的变形48

3.1 材料的弹性变形（elastic deformation）48

3.1.1 弹性变形的基本特点48

3.1.2 弹性变形的物理本质48

3.1.3 胡克定律（Hooke's law）50

3.2 弹性模量及其影响因素52

3.2.1 弹性模量的意义52

3.2.2 弹性模量的影响因素52

3.2.3 弹性比功53

3.3 弹性变形的不完整性54

3.3.1 包辛格效应（Bauschinger effect）54

3.3.2 弹性后效55

3.3.3 弹性滞后环55

3.4 材料的塑性变形（plastic deformation）56

3.4.1 塑性变形的一般特点56

3.4.2 塑性变形的物理过程57

3.4.3 单晶体与多晶体材料塑性变形的特点60

3.4.4 形变织构和各向异性61

3.5 屈服61

3.5.1 屈服现象及其解释62

3.5.2 屈服强度63

3.5.3 屈服判据67

3.6 形变强化68

3.6.1 形变强化曲线68

3.6.2 材料的颈缩现象70

3.6.3 形变强化的意义71

思考题71

4 材料的强化与韧化73

4.1 金属及合金的强化与韧化73

4.1.1 均匀强化74

4.1.2 非均匀强化80

4.1.3 细晶（grain refinening）强化与细晶韧化85

4.1.4 第二相（secondary phase）强化89

4.1.5 其他强化方法99

4.2 陶瓷材料的强化与韧化107

4.2.1 陶瓷材料的强度特点107

4.2.2 陶瓷材料的强化108

4.2.3 陶瓷材料的韧化109

4.2.4 影响陶瓷材料强度的主要因素110

4.2.5 影响陶瓷材料韧性的主要因素111

4.3 高分子材料的强化与韧化116

4.3.1 高分子材料的强度特点116

4.3.2 高分子材料的强化116

4.3.3 高分子材料的韧化118

4.4 复合材料的强化与韧化119

4.4.1 复合强化原理119

4.4.2 复合韧化原理与工艺120

4.4.3 三大材料的强韧化比较122

4.5 材料强韧化新理论与实践125

4.5.1 材料设计（materials design）125

4.5.2 显微组织控制127

4.5.3 纳米技术与晶界控制129

4.5.4 材料强韧性评价与标准问题132

4.6 材料强韧化过程的力学计算133

4.6.1 宏细观平均化计算133

4.6.2 层状结构的细观模拟计算134

4.6.3 材料强度的统计计算134

4.6.4 宏细微观三层嵌套模型134

思考题136

5 材料的断裂139

5.1 断裂分类与宏观断口特征139

5.1.1 断裂的分类139

5.1.2 断口的宏观特征141

5.2 断裂强度（fracture strength）143

5.2.1 晶体的理论断裂强度143

5.2.2 材料的实际断裂强度144

5.3 脆性断裂146

5.3.1 脆性断裂机理146

5.3.2 脆性断裂的微观特征151

5.4 韧性断裂153

5.4.1 韧性断裂机理153

5.4.2 韧性断裂的微观特征154

5.5 复合材料（composite materials）的断裂156

5.5.1 复合材料的断裂模式156

5.5.2 复合材料断裂的微观形式156

5.5.3 复合材料开裂方向的预测158

5.6 缺口效应（notch effect）158

5.6.1 缺口对应力分布的影响158

5.6.2 缺口敏感性及其表示方法160

5.6.3 缺口试样冲击弯曲及冲击韧性161

5.7 材料的低温脆性（low temperature brittleness）162

5.7.1 材料的低温脆性现象162

5.7.2 材料的韧脆转变温度163

5.7.3 影响韧脆转变温度的因素164

思考题167

6 材料的断裂韧性169

6.1 断裂韧性的基本概念169

6.1.1 断裂强度与裂纹长度169

6.1.2 裂纹体的三种位移方式170

6.1.3 平面应力和平面应变171

6.1.4 断裂韧性173

6.2 裂纹尖端附近的应力场和应力场强度因子（stress intensity factor）173

6.3 裂纹尖端塑性区（plastic zone in front of crack）的大小及其修正175

6.3.1 裂纹前端屈服区的大小175

6.3.2 应力松弛（stress relaxation）对塑性区的影响177

6.4 裂纹扩展的能量释放率180

6.5 影响材料断裂韧性的因素181

6.5.1 杂质对KIc的影响181

6.5.2 晶粒尺寸对KIc的影响182

6.5.3 组织结构对KIc的影响183

6.5.4 特殊热处理对KIc的影响184

6.5.5 载荷速率与环境对KIc的影响184

6.6 平面应变断裂韧性KIc的测试方法186

6.6.1 试样的制备186

6.6.2 测试方法187

6.7 弹塑性状态的断裂韧性188

6.7.1 裂纹尖端张开位移（CTOD）189

6.7.2 J积分191

思考题193

7 材料的疲劳196

7.1 疲劳现象196

7.1.1 变动载荷196

7.1.2 疲劳断裂特点197

7.1.3 疲劳宏观断口198

7.2 疲劳断裂过程及其机理199

7.2.1 疲劳裂纹的萌生199

7.2.2 疲劳裂纹的扩展200

7.2.3 疲劳裂纹扩展机制与疲劳断口微观特征201

7.3 疲劳裂纹扩展速率与门槛值203

7.3.1 疲劳裂纹扩展速率（fatigue-crack growth rates）203

7.3.2 疲劳裂纹扩展速率的数学表达式204

7.4 疲劳强度指标205

7.4.1 S-N曲线与疲劳极限205

7.4.2 过载持久值与过载损伤界206

7.4.3 疲劳缺口敏感度（fatigue notch sensitivity）207

7.5 影响疲劳性能的因素208

7.5.1 载荷因素208

7.5.2 表面状态与尺寸因素209

7.5.3 组织因素210

7.6 低周疲劳211

7.6.1 低周疲劳的特点211

7.6.2 低周疲劳的△ε-N曲线212

7.6.3 循环硬化与循环软化214

7.7 复合材料与陶瓷材料的疲劳214

7.7.1 复合材料的疲劳214

7.7.2 陶瓷材料的疲劳215

思考题217

8 高温及环境下的材料力学性能220

8.1 材料的蠕变（creep）220

8.1.1 材料的蠕变现象和蠕变曲线220

8.1.2 蠕变过程中组织结构的变化222

8.2 蠕变变形机制及断裂机制223

8.2.1 蠕变变形机制223

8.2.2 蠕变损伤（creep damage）和断裂机制224

8.3 蠕变极限（creep limit）、持久强度极限及其外推法226

8.3.1 蠕变极限和持久强度极限226

8.3.2 蠕变持久强度数据的外推法226

8.4 疲劳与蠕变的交互作用228

8.5 高分子材料的黏弹性（viscoelasticity）229

8.6 陶瓷材料的抗热震性（thermal shock resistance property）231

8.6.1 抗热震断裂（thermal shock fracture）231

8.6.2 抗热震损伤（thermal shock damage）232

8.7 热疲劳（thermal fatigue）232

8.8 应力松弛（stress relaxation）233

8.8.1 金属中的应力松弛现象233

8.8.2 松弛稳定性指标234

8.9 影响材料高温性能的因素234

8.9.1 合金化学成分的影响234

8.9.2 冶炼工艺及热处理工艺的影响235

8.9.3 晶粒度的影响235

8.10 环境介质作用下的力学性能236

8.10.1 应力腐蚀（stress corrosion）236

8.10.2 氢脆（hydrogen embrittlement）242

8.10.3 腐蚀疲劳（corrosion fatigue）247

思考题250

9 材料的磨损和接触疲劳252

9.1 摩擦（friction）与磨损（wear）的基本概念252

9.1.1 摩擦及类型252

9.1.2 磨损及类型253

9.1.3 耐磨性（wear resistance）254

9.2 磨损机制及提高磨损抗力的因素255

9.2.1 氧化磨损（oxidative wear）255

9.2.2 咬合磨损（occlusion wear）（第一类黏着磨损）256

9.2.3 热磨损（thermic wear）（第二类黏着磨损）257

9.2.4 磨粒磨损（abrasive wear）258

9.2.5 微动磨损（fretting wear）260

9.3 材料磨损试验方法261

9.3.1 试验方法分类261

9.3.2 磨损试验机262

9.3.3 磨损量的测量方法262

9.4 接触疲劳（contact fatigue）264

9.4.1 接触应力（contact stress）265

9.4.2 接触疲劳的类型267

9.5 非金属材料的磨损性能274

思考题276

附录277

索引291