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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