材料的宏微观力学性能PDF电子书下载

绪论 1

0.1材料科学与工程及其发展历史与趋势 2

0.2材料学科与固体力学学科的交叉发展 4

0.3材料宏观性能与微观结构的关系越来越紧密 6

0.4功能材料与结构材料的力学性能同等重要 8

0.5内容概述 9

参考文献 10

第1章 弹塑性力学基础 12

1.1预备知识 12

1.1.1弹塑性力学的研究对象和任务 12

1.1.2弹塑性力学的基本假设 13

1.1.3弹性与塑性 13

1.1.4张量概念和求和约定 15

1.2应力 17

1.2.1外力和应力 17

1.2.2平衡方程和应力边界条件 21

1.2.3主应力和主方向 24

1.2.4球形应力张量和应力偏量张量 26

1.3应变 27

1.3.1变形和应变 27

1.3.2主应变和主方向 32

1.4应力应变关系 34

1.4.1各向同性弹性体的胡克定律 34

1.4.2弹性应变能函数 38

1.4.3屈服函数和屈服曲面 40

1.4.4两个常用屈服准则 43

1.4.5增量理论 47

1.4.6全量理论 49

参考文献 50

习题 50

第2章 宏微观破坏力学基础 53

2.1宏观破坏力学分析 53

2.1.1裂纹的分类及裂纹尖端附近的弹性应力场 55

2.1.2应力强度因子 59

2.1.3小范围屈服下的塑性修正 60

2.1.4断裂判据和断裂韧性 65

2.1.5弹塑性断裂力学 69

2.2微观破坏力学分析 72

2.2.1损伤的基本概念及损伤的分类 72

2.2.2例：一维蠕变损伤 74

2.2.3各向同性损伤 76

2.2.4各向异性损伤 79

2.2.5损伤与断裂的交互作用 82

2.2.6纳观断裂力学 84

参考文献 84

习题 85

第3章 材料的基本力学性能 87

3.1材料的基本力学性能 87

3.1.1材料在拉伸时的力学性能 87

3.1.2材料在压缩时的力学性能 92

3.1.3材料在扭转时的力学性能 94

3.1.4材料在弯曲时的力学性能 97

3.2材料基本力学性能的测试 99

3.2.1材料拉伸性能的测试 100

3.2.2材料压缩性能的测试 102

3.2.3材料扭转性能的测试 104

3.2.4材料弯曲性能的测试 106

3.2.5材料剪切性能的测试 107

3.2.6材料基本力学性能测试方法的应用新进展 108

参考文献 109

习题 109

第4章 材料的硬度及其尺度效应 111

4.1材料硬度的概论 111

4.1.1材料硬度的定义 111

4.1.2材料的硬度试验 112

4.2布氏硬度 113

4.2.1布氏硬度的测定原理和表示方法 113

4.2.2布氏硬度的相似原理和测定方法 114

4.2.3布氏硬度试验的特点和适用范围 115

4.3洛氏硬度 116

4.3.1洛氏硬度的测定原理和方法 116

4.3.2洛氏硬度试验的优缺点及应用 118

4.3.3表面洛氏硬度 118

4.4维氏硬度 119

4.4.1维氏硬度的测定原理和方法 119

4.4.2维氏硬度试验的应用和特点 121

4.5动态压痕法测材料的硬度 121

4.5.1肖氏硬度 121

4.5.2锤击式布氏硬度 122

4.6划痕法测材料的硬度 123

4.6.1试验原理和计算公式 123

4.6.2划痕过程的应力分析 124

4.6.3划痕硬度与其他力学性能的关系 124

4.7显微硬度 125

4.7.1显微硬度试验原理 126

4.7.2努氏硬度压头的特点 126

4.7.3显微硬度试验的特点及应用 127

4.8纳米硬度 128

4.8.1纳米压痕硬度 128

4.8.2纳米划痕硬度 129

4.9材料的尺度效应及其对硬度的影响 130

4.9.1尺度效应 130

4.9.2应变梯度理论对硬度尺度效应的解释 132

4.9.3表面自由能对硬度尺度效应的影响 134

参考文献 137

习题 138

第5章 材料断裂韧性的测试 140

5.1平面应变断裂韧性KIc的测试 140

5.1.1测量断裂韧性的常用方法和KIc的表达式 140

5.1.2试件的尺寸要求 143

5.1.3临界载荷的确定 144

5.1.4测试平面应变断裂韧性KIc的步骤 145

5.2表面裂纹断裂韧性KIE的测试 148

5.2.1应力强度因子K1的表达式 149

5.2.2试件的尺寸要求 150

5.2.3临界载荷的确定 151

5.3平面应力断裂韧性Kc的测试 152

5.3.1应力强度因子KI的表达式 153

5.3.2试件尺寸的选择 154

5.3.3Kc值的确定 154

5.4 J积分临界值JIc的测试 156

5.4.1测试方法 156

5.4.2临界点的确定 158

5.5裂纹张开位移COD临界值δc的测试 160

5.5.1 δ的表达式 160

5.5.2Vc的确定 163

5.5.3 δR-△a曲线 164

参考文献 165

习题 166

第6章 材料的残余应力 168

6.1残余应力概论 168

6.1.1残余应力的产生 168

6.1.2残余应力的调整与消除 171

6.2残余应力的测试方法 175

6.2.1残余应力的机械测量方法 175

6.2.2残余应力的物理测量方法 180

6.3残余应力对材料力学性能的影响 188

6.3.1残余应力对静性能的影响 188

6.3.2残余应力对脆性破坏和抗应力腐蚀开裂的影响 193

6.3.3残余应力对疲劳强度的影响 195

参考文献 199

习题 200

第7章 金属材料的蠕变与疲劳 202

7.1金属材料的蠕变概论 203

7.1.1蠕变概念 203

7.1.2蠕变曲线 203

7.1.3蠕变实验结果的表征 204

7.1.4稳态蠕变率与应力的关系 206

7.1.5稳态蠕变率与温度的关系 207

7.1.6应用举例 208

7.2金属材料蠕变机制和蠕变机制图 210

7.2.1金属材料的蠕变机制 210

7.2.2蠕变变形机制图 212

7.2.3在复杂应力下的蠕变变形 213

7.3金属材料的疲劳概述 214

7.3.1疲劳定义 214

7.3.2疲劳的分类 215

7.3.3疲劳载荷 215

7.3.4交变应力 216

7.4金属材料疲劳破坏和疲劳机理 217

7.4.1疲劳强度及疲劳极限 217

7.4.2疲劳破坏机理 217

7.4.3疲劳裂纹扩展的一般规律 219

7.5金属材料疲劳破坏的研究方法 222

7.5.1 S-N曲线 222

7.5.2 Goodman图 224

7.5.3复杂应力状态下的材料疲劳破坏 226

7.6金属材料疲劳循环的应力-应变曲线 227

7.6.1单晶体的循环变形力学特性 227

7.6.2应变率和保载的影响 228

7.7蠕变疲劳交互作用 229

7.7.1蠕变疲劳波形 230

7.7.2蠕变疲劳交互作用的本质 231

7.7.3蠕变疲劳断裂机制图 232

参考文献 233

习题 235

第8章 材料在环境介质中的力学性能 236

8.1应力腐蚀断裂 237

8.1.1应力腐蚀断裂及其断裂特征 237

8.1.2应力腐蚀的测试方法与评价指标 238

8.1.3应力腐蚀断裂机理 243

8.1.4防止应力腐蚀断裂的措施 246

8.2氢脆 247

8.2.1氢脆的类型 247

8.2.2氢致延滞断裂抗力指标与测试方法 248

8.2.3氢脆机理 250

8.2.4氢脆与应力腐蚀的关系 252

8.2.5防止氢脆的措施 254

8.3腐蚀疲劳断裂 254

8.3.1腐蚀疲劳定义及其特点 254

8.3.2腐蚀疲劳机理 255

8.3.3腐蚀疲劳裂纹扩展 256

8.3.4防止腐蚀疲劳的措施 257

8.4腐蚀磨损脆性 258

8.4.1腐蚀磨损脆性的定义与特点 258

8.4.2腐蚀磨损机理 258

8.4.3腐蚀磨损脆性与应力腐蚀的异同 259

8.4.4腐蚀磨损脆性的防护措施 260

8.5其他环境敏感断裂或脆化问题 261

8.5.1辐照脆化 261

8.5.2液（固）态金属脆性的现象和特点 265

8.5.3金属脆性的机制 266

参考文献 267

习题 269

第9章 宏微观计算材料力学 270

9.1材料结构的层次与计算材料学 270

9.1.1材料系统与材料结构层次 271

9.1.2计算材料学的产生与主要方法 271

9.1.3计算材料学的发展趋势 273

9.2宏观计算材料力学 274

9.2.1有限单元法的产生 274

9.2.2弹性力学的矩阵表示和变分原理 275

9.2.3有限元法的分析过程 278

9.2.4非线性有限元简介 282

9.2.5有限元软件 283

9.3细观计算材料力学 284

9.3.1多晶体均匀化处理方法 284

9.3.2多晶体变形的模拟方法 285

9.4纳观计算材料力学 290

9.4.1分子动力学的基本原理 290

9.4.2恒温分子动力学 293

9.4.3分子动力学在材料断裂行为中的应用 294

9.5跨尺度计算与分析 295

9.5.1跨尺度计算与分析的必要性 295

9.5.2跨尺度计算与分析的类型 296

9.5.3有限元与分子动力学相结合的跨尺度模拟 297

参考文献 299

习题 301

第10章 智能材料力学性能 302

10.1智能材料概论 302

10.1.1智能材料的概念及特点 302

10.1.2智能材料的应用 303

10.1.3智能材料的分类 305

10.2形状记忆合金 305

10.2.1形状记忆效应和超弹性 305

10.2.2形状记忆合金的微结构和记忆机制 306

10.2.3形状记忆合金的数学模型 308

10.3磁致伸缩材料与铁磁记忆合金 314

10.3.1磁晶各向异性 314

10.3.2磁致伸缩效应 314

10.3.3铁磁记忆合金 316

10.3.4磁力耦合的数学模型 317

10.4铁电与压电材料 325

10.4.1电致伸缩效应 325

10.4.2铁电效应 326

10.4.3压电效应 329

10.4.4力电耦合的数学模型 330

参考文献 333

习题 335

第11章 薄膜的力学性能 336

11.1薄膜的概述 336

11.2薄膜弹性模量和应力-应变关系 338

11.2.1薄膜的弹性模量 338

11.2.2薄膜的应力-应变关系 339

11.3薄膜的残余应力 345

11.3.1残余应力的来源 345

11.3.2残余应力的测量 346

11.4薄膜的界面断裂韧性 353

11.4.1膜与基底界面间结合类型 353

11.4.2界面断裂韧性的测量方法 354

11.5铁电薄膜的断裂与极化 356

11.5.1铁电薄膜断裂的概念 356

11.5.2铁电薄膜断裂性能表征 357

11.5.3非等双轴失配应变下外延铁电薄膜的极化 360

11.5.4外延铁电薄膜中退极化对极化态的影响 363

11.6可延展性薄膜的屈曲 365

11.6.1可延展性薄膜的概念 365

11.6.2弹性基底上波浪状单晶硅带状物的制备 365

11.6.3可延展性薄膜的屈曲分析 366

11.6.4可延展性薄膜的应用 369

参考文献 370

习题 374

第12章 高分子材料力学性能 375

12.1高聚物的粘弹性 375

12.1.1应力松弛和应变率效应 376

12.1.2频率相关性能 377

12.1.3温度相关性能 378

12.1.4时间-温度等效原理 379

12.2高聚物线粘弹性行为的力学模型 381

12.2.1粘弹性力学行为的简单描述 382

12.2.2蠕变柔量和松弛模量 385

12.2.3一维微分型本构关系 386

12.2.4一维积分型本构关系与Boltzmann叠加原理 387

12.3高聚物的高弹性 389

12.3.1高弹性的热力学分析 390

12.3.2高弹变形的统计理论 391

12.3.3高弹材料的应力-应变关系 393

12.3.4高弹大变形的唯象理论 394

12.4高聚物的屈服与断裂 395

12.4.1高聚物的塑性屈服 395

12.4.2玻璃态高聚物的银纹化 399

12.4.3高聚物的强度与脆韧转变 402

参考文献 403

习题 405

第13章 陶瓷及陶瓷涂层材料的力学性能 406

13.1陶瓷材料的概述 407

13.1.1陶瓷材料的概念 407

13.1.2陶瓷材料的特点 407

13.1.3陶瓷材料的微观结构 407

13.1.4陶瓷材料的热物理性能 408

13.2陶瓷材料的力学性能 408

13.2.1陶瓷材料的弹性变形 409

13.2.2陶瓷材料的塑性变形 409

13.2.3陶瓷材料的超塑性变形 409

13.2.4陶瓷材料的硬度 411

13.2.5陶瓷材料的耐磨性 411

13.3陶瓷材料的断裂韧性及测试方法 412

13.3.1陶瓷材料的静态韧性 412

13.3.2陶瓷材料断裂韧性测试方法 412

13.4陶瓷材料的强度 416

13.4.1陶瓷材料的抗弯强度 416

13.4.2陶瓷材料的抗压强度 417

13.4.3陶瓷材料的抗拉强度 417

13.4.4影响陶瓷材料强度的主要因素 418

13.5陶瓷材料的抗热振性 419

13.5.1陶瓷材料的抗热振断裂 419

13.5.2陶瓷材料的抗热振损伤 420

13.6陶瓷材料的蠕变 421

13.6.1陶瓷材料蠕变机理 421

13.6.2陶瓷材料的蠕变实验举例分析 423

13.7高性能陶瓷涂层材料概述 424

13.7.1高性能陶瓷涂层的特点 425

13.7.2高性能陶瓷涂层——热障涂层 425

13.8高性能陶瓷涂层的力学性能 428

13.8.1涂层的弹性模量和泊松比的测定 428

13.8.2拉伸法测量热障涂层的界面结合强度 429

13.8.3热障涂层四点弯曲实验 432

13.8.4热障涂层的热疲劳实验 433

13.8.5热障涂层屈曲破坏实验 435

参考文献 440

习题 442

第14章 复合材料力学性能 443

14.1复合材料概论 444

14.1.1复合材料的概念 444

14.1.2传统材料与复合材料的性能特点 445

14.1.3增强纤维、增强颗粒及金属基体 447

14.2纤维增强复合材料的力学性能 449

14.2.1单向复合材料的弹性性能 449

14.2.2单向复合材料的强度 453

14.2.3纤维增强复合材料的破坏特性 455

14.3颗粒增强复合材料的力学性能 457

14.3.1颗粒增强金属基复合材料的增强机理 457

14.3.2 PMMC在拉伸与疲劳载荷下的破坏 459

14.3.3 PMMC的激光热冲击与热疲劳破坏 461

14.4复合材料的应用与发展趋势 464

14.4.1复合材料的应用 464

14.4.2复合材料的发展趋势 465

参考文献 466

习题 468