材料力学性能原理与实验教程/材料科学与工程专业系列教材 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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王吉会，郑俊萍，刘家臣，黄定海 编

图书标签:

• 材料力学
• 材料科学
• 工程教育
• 实验教程
• 教材
• 力学性能
• 材料工程
• 高等教育
• 理工科
• 专业教材

出版社： 天津大学出版社

ISBN：9787561860007

版次：1

商品编码：12334833

包装：平装

丛书名： 材料科学与工程专业系列教材 ， ，

开本：16开

出版时间：2018-03-01

用纸：胶版纸

页数：478

字数：774000

正文语种：中文

内容简介

　　《材料力学性能原理与实验教程/材料科学与工程专业系列教材》主要介绍材料在外加载荷或载荷和环境因素（温度、介质和加载速率等）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律及其物理本质和实验测试方法与技术；体现了加强基础、拓宽专业面、注重实践能力、培养综合素质的目标和原则。
　　《材料力学性能原理与实验教程/材料科学与工程专业系列教材》内容包括材料力学性能概论，材料的静载拉伸力学性能，材料在其他载荷下的力学性能（扭转、弯曲、压缩、剪切、硬度、缺口效应、冲击、低温脆性），材料的断裂强度与断裂韧性，材料在变动载荷下的力学性能，材料在环境条件下的力学性能，材料在高温条件下的力学性能，材料的摩擦与磨损性能，材料在纳米尺度下的力学性能，复合材料的力学性能及材料力学性能实验等，第1至10章后附有复习思考题，以便课后的复习、巩固与提高。
　　《材料力学性能原理与实验教程/材料科学与工程专业系列教材》可作为高等理工科院校材料科学与工程、材料物理、材料化学、功能材料、金属材料工程等材料类专业本科生“材料力学性能”课程的理论与实验教材，同时也可供材料科学与工程专业的研究生及从事材料研究、生产和应用的专业技术人员参考。

内页插图

目录

第1章 概论
1．1 材料与材料科学
1．1．1 材料的概念与分类
1．1．2 材料科学与工程
1．2 材料的性能与分析方法
1．2．1 材料的性能
1．2．2 材料性能分析方法
1．3 材料的力学性能
1．3．1 材料力学性能的概念与主要指标
1．3．2 材料力学性能的研究内容
1．3．3 材料力学性能的研究目的和意义
1．3．4 材料力学性能的应用举例
1．4 课程特点、教学思路与教学安排
1．4．1 课程特点
1．4．2 教学思路
1．4．3 教学安排
复习思考题

第2章 材料的静载拉伸力学性能
2．1 静载拉伸试验
2．1．1 应力一应变曲线
2．1．2 拉伸强度指标
2．1．3 塑性指标及其意义
2．2 弹性变形
2．2．1 弹性变形及其物理本质
2．2．2 弹性性能的工程意义
2．2．3 弹性不完整性
2．3 塑性变形
2．3．1 金属材料的塑性变形机制与特点
2．3．2 屈服现象及其本质
2．3．3 真实应力一应变曲线及形变强化规律
2．3．4 陶瓷材料的塑性变形
2．4 材料的断裂
2．4．1 金属材料的断裂
2．4．2 陶瓷材料的断裂
2．4．3 高分子材料的断裂
复习思考题

第3章 材料在其他载荷下的力学性能
3．1 应力状态系数和力学状态图
3．1．1 应力状态系数
3．1．2 力学状态图
3．2 材料的扭转、弯曲、压缩和剪切
3．2．1 材料的扭转
3．2．2 材料的弯曲
3．2．3 材料的压缩
3．2．4 材料的剪切
3．2．5 几种静载试验方法的比较
3．3 材料的硬度
3．3．1 硬度的概念与分类
3．3．2 布氏硬度
3．3．3 洛氏硬度
3．3．4 维氏硬度
3．3．5 显微硬度
3．3．6 肖氏硬度
3．3．7 莫氏硬度
3．3．8 常用材料的硬度
3．3．9 硬度与其他力学性能指标的关系
3．4 缺口试样的力学性能
3．4．1 缺口效应
3．4．2 缺口试样力学性能试验
3．5 材料在冲击载荷下的力学性能
3．5．1 加载速率与应变速率
3．5．2 冲击载荷的能量性质
3．5．3 冲击载荷下材料的变形与断裂的特点
3．5．4 缺口试样的冲击试验与冲击韧性
3．5．5 冲击试样断裂过程分析
3．5．6 冲击试验的应用
3．6 材料的低温脆性
3．6．1 低温脆性的现象
3．6．2 低温脆性的本质
3．6．3 低温脆性的评定
3．6．4 低温脆性的影响因素
复习思考题
……

第4章 材料的断裂强度与断裂韧性
第5章 材料在变动载荷下的力学性能
第6章 材料在环境条件下的力学性能
第7章 材料在高温条件下的力学性能
第8章 材料的摩擦与磨损性能
第9章 材料在纳米尺度下的力学性能
第10章 复合材料的力学性能
第11章 材料力学性能实验

附录
参考文献

前言/序言

　　材料的力学性能是关于材料在外加载荷（外力）作用下或载荷和环境因素（温度、介质和加载速率等）联合作用下表现的变形、损伤与断裂的行为规律及其物理本质和实验测试技术的学科。与材料的物理性能、化学性能一样，材料的力学性能是材料科学与工程四大基本要素——材料性能的重要组成部分，是各类材料在实际应用中都必须涉及的共性问题。
　　但从课程的发展历史看，“材料力学性能”原是金属材料工程专业继“金属学原理”“固态相变原理”等课程之后的专业课程；在无机非金属材料工程专业中，无机材料的力学性能仅是“无机材料物理性能”课程中一章的内容；在高分子材料与工程专业中，聚合物的力学性能则分散在“高分子物理”课程的有关章节中，内容相对较少。
　　随着材料技术的飞速发展及传统材料产业的不断升级，材料类专业得到不断的重组与优化，不仅有材料科学与工程、材料物理、材料化学、冶金工程、金属材料工程、无机非金属材料、高分子材料与工程、复合材料与工程等主干专业，而且还包括粉体材料科学与工程、宝石及材料工艺学、焊接技术与工程、功能材料、纳米材料与技术、新能源材料与器件等特色专业。而“材料力学性能”课程，则成为材料类专业的学科基础课程。因此，原先作为金属材料工程专业的“材料力学性能”课程教材，显然不能适应材料类专业教学的需要。于是，迫切需要编写出兼顾金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料、纳米材料等力学性能的共性，又能适当反映各自材料力学性能特殊性的《材料力学性能》教材，以适合材料科学与工程一级学科专业教学的需要。
　　2010年6月，教育部“卓越工程师教育培养计划”在我国理工科高等学校全面铺开，其中以强化工程能力和创新能力为人才培养模式改革的重点，从而全面提高我国工程教育人才的培养质量。从2017年起，又提出了适合未来新兴产业和新经济需要的新工科建设思想，旨在培养出工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才。本教材就是在这一背景下根据材料科学与工程一级学科专业的特点，并本着加强基础、拓宽专业面、注重实践能力、培养综合素质的原则而编写的。

强度、断裂与疲劳：现代工程材料的挑战与应对 ——面向先进结构设计与服役安全的综合性教材 导论：超越经典理论的材料性能视角 在现代工程领域，从航空航天、高速铁路到核能反应堆，对结构材料的性能要求已远超传统承载能力范畴。仅仅理解材料在静载荷下的弹性、塑性行为已远远不够。当代工程师必须直面材料在极端环境、复杂应力状态以及长期服役过程中所展现出的固有脆弱性——即强度极限的突变、损伤的累积以及最终的失效。 本书《强度、断裂与疲劳：现代工程材料的挑战与应对》正是为满足这一迫切需求而编写。它并非简单地重复介绍晶体塑性或相变硬化等基础概念，而是将焦点集中于材料失效过程的动态性、微观机制的可视化以及工程预测方法的精确化。本书旨在构建一个从本构关系建立、损伤演化建模到寿命预测的完整知识体系，特别强调先进材料（如复合材料、增材制造金属以及功能梯度材料）在多尺度失效方面的特殊性。 全书分为六大部分，共计二十章，力求结构严谨、内容深入且贴合前沿研究方向。 --- 第一部分：基础理论的深化与扩展 (Foundational Theories Deepened) 本部分旨在为读者提供一个坚实的、超越标准教材的力学基础，重点关注非线性、非均匀加载条件下的本构关系。 第一章：应力分析的广义化 深入探讨广义连续介质力学中的非对称应力张量、微极体理论在描述界面效应中的应用，以及高阶应力场（如梯度效应）对材料局部行为的影响。重点分析了剪切带、拉伸裂纹尖端应力场的奇异性解析解。 第二章：粘塑性与蠕变本构模型 详细阐述了基于热力学驱动的粘塑性模型（如Perzyna模型和Schapery模型）的推导，以及如何将时间温度等效原理（TTSP）应用于高温结构材料的长期蠕变预测。特别引入了动态恢复过程中的应变软化现象。 第三章：材料的损伤力学导论 本章是对“失效”概念的重新界定。引入了连续介质损伤力学（CCDM）的核心思想，通过标量、矢量或张量参数来描述材料内部微观损伤变量的演化规律，并结合能量释放率和内变量理论构建了等效塑性应变与损伤变量之间的耦合方程。 --- 第二部分：断裂力学的多尺度与多模式分析 (Fracture Mechanics: Multi-scale and Multi-mode Analysis) 本部分是全书的核心，聚焦于裂纹的产生、扩展及抗性评估，是评估结构完整性的关键。 第四章：线弹性断裂力学的精确应用 除了经典的应力强度因子（$K$因子）计算外，本章详述了复平面裂纹问题（如倾斜裂纹）的解析方法，并深入探讨了边界元法（BEM）在复杂几何体中$K$因子计算中的优势。 第五章：弹塑性断裂：J积分与CTOD 重点讲解了J积分的物理意义及其在评估大范围屈服下裂纹尖端行为中的核心地位。详细分析了Rice提出的路径无关性，并结合Hirschberg-Rice裂纹尖端塑性区模型，推导了裂纹尖端张开位移（CTOD）与塑性区尺寸的关系，用于评估韧性断裂。 第六章：韧性断裂与微观机制的耦合 本章侧重于材料韧性断裂的微观物理过程。深入分析了孔隙-裂纹聚合理论（Void Growth Model，如Gurson-Tvergaard-Needleman模型）如何从原子尺度的空位形成，到微裂纹萌生，直至宏观裂纹扩展的整个过程。对比了韧性断裂与脆性断裂在能量释放率上的本质区别。 第七章：疲劳萌生与扩展的物理基础 阐述了疲劳的三个阶段：表面损伤萌生、微裂纹扩展和宏观裂纹扩展。重点讨论了Basquin、Coffin-Manson以及Miner累积损伤法则的局限性，并引入了基于裂纹尖端应变参数的扩展模型。 第八章：高周疲劳的应力-应变法与断裂导向法 针对高周疲劳（HCF），详细分析了基于应力控制的S-N曲线的统计学意义，并结合应变控制的$Delta varepsilon - N$曲线（CoF-Mn曲线）的交点预测。在断裂导向分析中，引入了基于等效应力强度因子的疲劳裂纹扩展速率方程，并讨论了表面效应和平均应力修正（如Goodman、Gerber关系）的非线性影响。 第九章：低周疲劳与寿命预测 本章聚焦于低周疲劳（LCF）和热机械疲劳（TMF）。详细分析了塑性应变范围对寿命的决定性作用，并探讨了热循环对材料微结构（如晶粒边界滑动）的加速损伤效应。 --- 第三部分：先进材料的失效行为 (Failure Mechanisms in Advanced Materials) 本部分将理论应用于复合体、增材制造产品等现代工程结构材料。 第十章：复合材料的层间与基体损伤 分析了纤维增强复合材料（FRC）的失效模式，重点讨论了基体开裂、纤维/基体脱粘（界面失效）以及层间剪切失效（ILSS）。引入了基于能量平衡的层合板理论（如First Ply Failure准则）。 第十一章：增材制造（AM）金属的残余应力和孔隙效应 详细研究了增材制造过程中的快速加热和冷却导致的显著残余应力分布问题。重点分析了打印过程中形成的液态金属未完全熔合导致的孔隙缺陷，及其作为疲劳裂纹源的独特机制。 第十二章：蠕变断裂与超高温服役 针对燃气轮机叶片等高温部件，深入分析了材料在高温下的蠕变损伤积累，特别是时间依赖性的裂纹扩展。讨论了基于等效能量释放率的蠕变断裂准则和寿命预测图。 --- 第四部分：数值模拟与实验表征 (Numerical Simulation and Experimental Characterization) 本部分连接了理论预测与工程实践，介绍了现代失效分析的工具箱。 第十三章：有限元方法在断裂分析中的应用 详细介绍了非线性有限元分析中处理裂纹尖端奇异性的技术，包括内插裂纹单元法（X-FEM）与常规裂纹单元法的比较。讨论了塑性大变形下网格重划对计算结果的影响。 第十四章：准静态加载下的断裂韧度实验评价 详细规范了使用标准试样（如CCT, SE(B)）进行断裂韧度$K_{ ext{Ic}}$和$J_{ ext{Ic}}$测试的流程、试样尺寸要求（厚度效应）以及边缘载荷下的修正技术。 第十五章：疲劳性能的实验设计与数据处理 指导读者如何进行可靠的轴向、旋转弯曲疲劳试验。重点讲解了疲劳数据（S-N曲线）的统计分析（如Weibull分布），以及如何通过扫描电镜（SEM）分析断口形貌，区分疲劳纹（Beach Marks）与瞬时断裂的特征。 第十六章：动态断裂与冲击载荷响应 介绍了高速裂纹扩展的测量技术（如光栅应变分析DIC和高速摄影），以及材料的冲击韧性（如Charpy V型缺口试验）与本构方程的动态率相关性。 --- 第五部分：结构完整性评估与寿命设计 (Structural Integrity Assessment and Life Prediction) 本部分将理论和实验结果转化为可操作的工程标准。 第十七章：损伤容限设计（Damage Tolerance）理念 系统阐述了损伤容限设计哲学——即假定结构中已存在缺陷，并要求在设计寿命内，通过定期检测，确保裂纹不会扩展至临界尺寸。详细讲解了基于断裂力学的安全评估流程（S-F 曲线）。 第十八章：基于概率的可靠性分析 介绍了将材料性能（如断裂韧度、疲劳寿命）的随机性纳入结构寿命预测的可靠性方法，包括First-Order Reliability Method (FORM) 和 Monte Carlo 模拟在结构安全因子确定中的应用。 第十九章：剩余寿命预测与修复策略 探讨了在使用中损伤累积的结构的剩余寿命评估方法，特别是如何利用实时监测数据修正疲劳模型。介绍了疲劳寿命延长技术（如表面滚压、喷丸强化）的力学基础及其对表面残余应力的影响。 --- 第六部分：前沿挑战与展望 (Frontier Challenges and Outlook) 第二十章：极端环境下的材料失效 展望了氢致脆化（HE）、辐照脆化以及超高周疲劳（UHCF）等前沿领域的失效问题，并讨论了新型计算模型（如相场法）在模拟这些复杂、多尺度耦合失效过程中的潜力。 --- 本书面向材料科学与工程、机械工程、航空航天工程等专业的高年级本科生、研究生，以及从事结构安全评估、失效分析和先进材料研发的工程师和科研人员。它提供了比入门教材更深的理论基础和更广的工程应用视野，是理解和掌控现代工程材料“不屈服，不崩塌”秘密的有力指南。

评分☆☆☆☆☆

收到！这就为您奉上五段不同风格、不同侧重点，并且尽可能不像AI生成的读者评价： 这本书的出版，确实在我这个材料科学领域的“老家伙”心中激起了一层层涟漪。我尤其看重的是它在基础理论与实际应用之间搭建的那座桥梁。书中对材料力学性能的阐述，不再是枯燥的公式堆砌，而是融入了大量的工程实例，比如在航空航天领域，新型复合材料的失效模式是如何被精确预测和规避的；在桥梁建设中，钢材的疲劳性能又是如何被严苛地考量和设计的。这些“接地气”的内容，让我能更直观地理解那些抽象的概念，也让我反思自己过去在教学过程中，是否过于强调了理论的严谨而忽略了实际的温度。此外，实验教程部分更是点睛之笔，它提供了详尽的实验步骤、数据处理方法，甚至连实验设备的选用和注意事项都考虑到了。这对于指导年轻的研究生进行科学研究，避免走弯路，具有不可估量的价值。我曾指导过几个学生，他们在进行材料强度测试时，常常会因为对实验细节把握不准而耽误进度，如果当时有这样一本教程，相信他们的研究会更加顺畅。特别是书中对实验误差的分析和控制，以及如何利用统计学方法来提高实验数据的可靠性，这部分内容对我来说，更是醍醐灌顶。它让我认识到，即使是看似简单的拉伸试验，背后也蕴含着丰富的科学道理和严谨的科学态度。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构安排，给我的印象尤为深刻，它在理论讲解和实验操作之间实现了很好的平衡，而且这种平衡不是简单的并列，而是相互促进、相互印证。我尤其欣赏它在探讨材料韧性与脆性转变这一章节的处理。它不仅仅给出了脆性断裂的Griffith理论，还深入分析了在不同温度、应变速率、应力状态下，材料韧脆转变的原因，并将其与微观组织，如晶粒尺寸、第二相粒子等联系起来。这使得我们能够从更宏观到更微观的层面，去理解材料的断裂行为。而且，在实验教程部分，它设计了非常具有针对性的实验，比如利用Charpy冲击试验来测量材料的冲击吸收功，并解释了如何通过改变试验温度来获得材料的韧脆转变曲线。书中还详细地指导如何进行断口形貌的观察和分析，并指导如何将宏观的断口特征与微观的断裂机制联系起来。这对于学习如何进行材料失效分析的学生来说，具有极高的指导意义。它不仅仅是教会你如何做实验，更重要的是教会你如何通过实验来理解材料的内在性能，并最终解决实际工程中的问题。

评分☆☆☆☆☆

一本好的教材，不应该只是知识的搬运工，更应该是思想的启蒙者。这本书在这方面做得相当出色。我特别喜欢它在介绍材料疲劳寿命预测这一章节中的处理方式。它并没有简单地给出S-N曲线和Miner累加损伤法则，而是花了相当大的篇幅去解释疲劳裂纹萌生和扩展的微观机制，从表面缺陷、应力集中，到位错缠结、微裂纹的形成，再到裂纹的稳定和失稳扩展，整个过程的描述非常生动形象，配以精美的示意图，让我仿佛置身于材料内部，亲眼目睹了疲劳损伤的发生过程。而且，它还巧妙地将理论模型与实验数据相结合，展示了如何利用小应变幅度下的恒定幅值疲劳试验来预测材料在大应变幅值下的寿命，以及如何考虑载荷谱变化对疲劳寿命的影响。这种将理论与实验紧密结合，将抽象概念具象化的方式，让我对材料疲劳性能的理解提升到了一个新的高度。更令我印象深刻的是，它还提及了一些先进的无损检测技术在疲劳裂纹早期检测中的应用，这为我们实际工程中的健康监测提供了新的思路。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我最初拿到这本书的时候，并没有抱太大的期望，以为又是一本“换汤不换药”的教材。但当我翻阅到关于材料蠕变和应力松弛的部分时，我眼前一亮。书中对这些长时效应的讲解，非常细致，而且不仅仅局限于理论公式，还深入探讨了影响蠕变和松弛速率的微观机制，比如晶界滑移、体积扩散等，并且联系了实际工程中的应用，比如在高温锅炉管、涡轮叶片等部件的设计中，如何考虑这些因素以避免结构失效。我之前接触过一些关于这些内容的资料，但总是觉得不够系统，或者理解得不够透彻。这本书的讲解，就像抽丝剥茧一样，将复杂的概念一层层地剖析开来，让我豁然开朗。特别是其对实验部分的要求，也同样细致，它强调了在进行高温蠕变试验时，温度的精确控制、载荷的稳定施加以及测量设备的灵敏度等关键因素的重要性，并提供了相应的实验设计思路和数据分析方法。这对于我们这些需要进行相关研究的科研人员来说，无疑是宝贵的指导。这本书不仅仅是教科书，更像是一个研究指南，指引我们如何更深入地探索材料的奥秘。

评分☆☆☆☆☆

作为一名正在攻读材料科学与工程专业博士研究生的我，对于一本能够兼顾原理深度与实验操作实用性的教材，始终有着极高的期待。翻阅这本《材料力学性能原理与实验教程》后，我最大的感受是其内容的“厚重”与“鲜活”。“厚重”体现在它对塑性变形机制、断裂韧性、疲劳失效等核心概念的深入剖析，并非浅尝辄止，而是能够追溯到微观结构层面，结合晶体学、位错理论等相关知识进行解释，这对于理解材料行为的本质至关重要。我尤其欣赏书中关于材料在极端环境（如高温、低温、腐蚀）下的力学性能变化分析，这些内容在我的研究课题中时常需要借鉴，以往我只能零散地查阅大量文献，现在有了一个相对集中的参考。而“鲜活”则体现在其实验教程部分。它不仅仅是罗列出几个经典的力学测试，更是针对不同材料体系（金属、陶瓷、高分子、复合材料）设计了具有代表性的实验项目，并提供了详细的仪器操作指南、数据采集流程，甚至是常见的实验问题排查建议。这让我感觉到，这本书不仅仅是一本理论书籍，更像是一位经验丰富的导师，手把手地教你如何将理论知识转化为实际的实验操作，并从中获取有价值的研究数据。