本書主要介紹工程材料在各種載荷作用及服役條件下的力學(xué)性能。全書共11章,有關(guān)金屬材料力學(xué)性能的內(nèi)容分設(shè)8章,是全書的基礎(chǔ);聚合物材料力學(xué)性能、陶瓷材料力學(xué)性能、復(fù)合材料力學(xué)性能各立1章。書中分別闡述了工程材料在靜載荷、沖擊載荷和交變載荷及兼有環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能,以及抗斷裂、耐磨損等性能。全書努力做到:宏觀規(guī)律與微觀機(jī)理相結(jié)合,以闡述宏觀規(guī)律為主;加強(qiáng)力學(xué)性能指標(biāo)物理意義與工程應(yīng)用的介紹,促進(jìn)理論聯(lián)系實際。
工程用材料一般指金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料,其中金屬材料產(chǎn)量最大,應(yīng)用最廣,在制造業(yè)中占比最高。隨著國家社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,新材料不斷出現(xiàn),工程領(lǐng)域?qū)Σ牧掀贩N和數(shù)量的需求快速增加,對材料力學(xué)性能的要求越來越高。在不同工程領(lǐng)域,產(chǎn)品服役條件不盡相同,對材料力學(xué)性能的要求也不一樣。因此,在編寫《工程材料力學(xué)性能》新版教材時,編者希望,既要介紹材料力學(xué)性能的基本理論、基本知識、基本規(guī)律和試驗技術(shù),還要從以傳統(tǒng)機(jī)械工程產(chǎn)品作為聯(lián)系實際的對象,擴(kuò)大到兼顧交通運輸工程、建筑工程等領(lǐng)域,進(jìn)一步提高教材的實用性。
機(jī)件因疲勞破壞而造成的失效事件占總失效事件的80%左右,一些關(guān)鍵機(jī)件的疲勞破壞常和表面的微細(xì)裂紋擴(kuò)展有關(guān)。因此,有必要簡單介紹“疲勞短裂紋”擴(kuò)展的內(nèi)容。
金屬材料力學(xué)性能試驗方法的國家標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)步伐不斷加速,已先后頒布實施了新的《金屬材料室溫拉伸試驗方法》《金屬材料布氏硬度試驗方法》《金屬材料洛氏硬度試驗方法》《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》等。新標(biāo)準(zhǔn)已逐漸被企業(yè)廣泛采用,并在專業(yè)學(xué)術(shù)期刊上的應(yīng)用面也日益擴(kuò)大,讀者已逐漸熟悉。對此,教材應(yīng)積極貫徹新標(biāo)準(zhǔn),將有關(guān)新標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容以適當(dāng)方式吸收納入教材中。編者以為,貫徹新標(biāo)準(zhǔn)要考慮教材的任務(wù)和整體性以及標(biāo)準(zhǔn)的特點,還要與有關(guān)學(xué)科及工程技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)著作、教材和手冊中力學(xué)性能的名稱和符號相銜接。為此,編者在第一、二章中,采用了兩種應(yīng)力符號:一是“R”,也表征材料在拉伸或壓縮載荷作用下對變形的抗力(或強(qiáng)度)(下角附特征點符號);二是“σ”,既是工程力學(xué)中的基本符號,又是全書后續(xù)各章中的應(yīng)力或強(qiáng)度符號(下角附特征點符號)。
本書此次修訂時,浙江大學(xué)李志章教授、江蘇大學(xué)羅啟富教授、大連交通大學(xué)戴雅康教授、南昌大學(xué)楊平生教授曾對有關(guān)章節(jié)進(jìn)行了審閱,他們提出了一些有價值的意見,編者謹(jǐn)向幾位老教授致以誠摯的謝意。
本次修訂工作由束德林任主編,修訂章節(jié)人員保持不變。陳九磅還負(fù)責(zé)了全書的插圖、照片、名稱符號、附錄標(biāo)準(zhǔn)以及書稿的整理工作。
編者在本書修訂中參考和引用了一些單位及作者的資料、研究成果、插圖和圖片,謹(jǐn)此致以謝意。
由于編者學(xué)術(shù)水平和條件所限,書中疏漏之處在所難免,敬希讀者指正。
束德林于合肥本書體系是經(jīng)多年實踐逐步形成的,為了適應(yīng)國家社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和高等學(xué)校本科教學(xué)改革的需要,編者對第1版中的部分內(nèi)容進(jìn)行了充實和更新,其中主要有:①新增高應(yīng)變速率條件下的低周沖擊疲勞,并將原“沖擊疲勞”標(biāo)題改為“低周沖擊疲勞”,內(nèi)含金屬材料在低應(yīng)變速率和高應(yīng)變速率條件下的沖擊疲勞行為;②重新編入用斷裂韌度“評定鋼鐵材料的韌脆性”,增加“金屬材料的沖蝕磨損”,聚合物和復(fù)合材料的韌性與增韌的有關(guān)內(nèi)容,介紹聚合物材料的屈服和冷拉伸性能、摩擦學(xué)特性和磨損性能等,這些材料力學(xué)性能與使用性能、工藝性能相關(guān)的部分,進(jìn)一步加強(qiáng)了理論與實際的聯(lián)系;③簡要介紹了非金屬材料的一些力學(xué)性能試驗方法和相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo),如聚合物和復(fù)合材料的沖擊試驗方法、沖擊強(qiáng)度和斷裂能等;④適應(yīng)材料力學(xué)性能試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)更新速度加快的要求,對書中涉及的力學(xué)性能試驗方法及時進(jìn)行了更新,如硬度試驗等。但金屬材料室溫拉伸試驗方法中,新舊標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)、名稱和符號差異頗大,目前在教材中將新標(biāo)準(zhǔn)介紹給讀者,似乎尚不成熟。為了方便讀者,編者采用了過渡方法,在書末附錄部分列出了GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》中力學(xué)性能指標(biāo)名稱和符號對照表,供讀者查閱參考。
在此版教材成書過程中,我們得到了兄弟院校四位老教授的關(guān)心和支持。他們認(rèn)真地審閱了有關(guān)章節(jié)的書稿,提出了不少有益的意見,對提高本書的質(zhì)量做出了重要貢獻(xiàn)。他們是:太原理工大學(xué)劉會亭教授(審第一、四、五章);江蘇大學(xué)羅啟富教授(審第三、七、九、十章);大連交通大學(xué)戴雅康教授(審第二、六、八、十一章);南昌大學(xué)楊平生教授(審低周沖擊疲勞)。編者謹(jǐn)向這幾位老教授致以誠摯的謝意。
參加本書修訂工作的有:合肥工業(yè)大學(xué)束德林(第一、二、四、五、六、八、九章)、陳九磅(第三、七、十章)、鳳儀(第十一章)。陳九磅還負(fù)責(zé)了全書插圖、照片、名稱符號、附錄標(biāo)準(zhǔn)以及書稿的整理工作。全書由束德林任主編。
作者在編寫本書時曾參考和引用了一些單位及作者的資料、研究成果和圖片,在此謹(jǐn)致謝意。
編者學(xué)術(shù)水平有限,時間又緊迫,書中錯誤之處,敬希讀者不吝指正。
束德林于合肥本書是在原《金屬力學(xué)性能》(第2版)教材基礎(chǔ)上編寫的。
編寫的思路主要是:教材要為大學(xué)本科材料科學(xué)與工程類專業(yè)學(xué)生選材、變革冷熱加工工藝、失效分析提供基礎(chǔ)知識;篇幅不宜過大,但又要留有一定余地,以便讀者自主選擇;以金屬材料力學(xué)性能知識為基礎(chǔ),作為介紹聚合物材料、陶瓷材料和復(fù)合材料力學(xué)性能的先導(dǎo)。金屬材料力學(xué)性能的內(nèi)容安排仍保留原來的體系,共設(shè)8章,但幾乎每一章的內(nèi)容都做了不同程度的壓縮與調(diào)整:如第一章中解理斷裂機(jī)理只保留了位錯塞積與位錯反應(yīng)模型,微孔聚集斷裂形核長大模型也做了簡化處理;第四章關(guān)于彈塑性斷裂力學(xué)只介紹了J積分與COD的基本概念,既壓縮了篇幅,又突出了線彈性斷裂力學(xué)的內(nèi)容和基礎(chǔ)地位;第五章中疲勞裂紋擴(kuò)展過程僅敘述了塑性鈍化模型;第七章磨損部分內(nèi)容也做了刪減和改寫等。鑒于材料力學(xué)行為都與材料自身的結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系,本書將聚合物材料和陶瓷材料的力學(xué)性能分開立章,在簡要敘述了它們的結(jié)構(gòu)特點后再討論其力學(xué)行為,可能有助于讀者對這些材料力學(xué)性能的理解與掌握,也有利于對內(nèi)容做適當(dāng)充實。復(fù)合材料力學(xué)性能因材料結(jié)構(gòu)的特殊性,且又涉及較多力學(xué)問題,本書只介紹了最基本的知識。
書中名詞術(shù)語、力學(xué)性能指標(biāo)及其符號和測定方法均按國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)敘述和書寫,但復(fù)合材料力學(xué)性能一章仍保留了復(fù)合材料科學(xué)的現(xiàn)有用法。
為了適應(yīng)國家進(jìn)一步改革開放的需要,書中附錄還列出了有關(guān)國家部分材料力學(xué)性能試驗標(biāo)準(zhǔn)編號和名稱,供讀者查閱參考。
參加1995年《金屬力學(xué)性能》(第2版)教材編寫工作的老師除束德林(第一、三、七章,原安徽工學(xué)院)外,尚有劉會亭(第四、五章,原太原工業(yè)大學(xué))、戴雅康(第二、六、八章,原大連鐵道學(xué)院)、羅啟富(第九章,原江蘇理工大學(xué)),由浙江大學(xué)李志章教授主審。他們?yōu)榻饘倭W(xué)性能教材建設(shè)做出了很大貢獻(xiàn),沒有他們的參與和打下的基礎(chǔ),第2版和本書不可能問世。在此次重新編寫過程中,羅啟富教授對有關(guān)章節(jié)進(jìn)行了審閱并提了寶貴意見;戴雅康教授除對有關(guān)章節(jié)提出修改建議外,還為國內(nèi)外材料力學(xué)性能試驗標(biāo)準(zhǔn)的收集與整理做了大量工作。編者在向他們表示深切謝意的同時,還向《金屬力學(xué)性能》(第1版)教材主審天津大學(xué)陳敏熊教授、編寫者山東工業(yè)大學(xué)孫希泰教授致以由衷的感謝。
參加本書編寫工作的老師有:合肥工業(yè)大學(xué)束德林(第一、二、四、五、六、八、九、十章)、陳九磅(第三、七章)、鳳儀(第十一章)。陳九磅老師還負(fù)責(zé)了全書插圖、名詞符號、附錄標(biāo)準(zhǔn)的整理等工作。全書由束德林任主編。
作者在編寫本書時曾參考和引用了一些單位及作者的資料、研究成果和圖片,在此謹(jǐn)致謝意。
由于編者學(xué)術(shù)水平和客觀條件所限,書中疏漏之處在所難免,敬希讀者批評指正。
第3版前言
第2版前言
第1版前言
本書主要符號
第一章金屬在單向靜拉伸載荷下的
力學(xué)性能
第一節(jié)拉伸力伸長(延伸)曲線和
應(yīng)力應(yīng)變曲線
第二節(jié)彈性變形
一、彈性變形及其實質(zhì)
二、胡克定律
三、彈性模量
四、彈性比功
五、滯彈性
六、包申格(Bauschinger)效應(yīng)
第三節(jié)塑性變形
一、塑性變形方式及特點
二、屈服現(xiàn)象和屈服強(qiáng)度
三、影響屈服強(qiáng)度的因素
四、應(yīng)變硬化(形變強(qiáng)化)
五、縮頸現(xiàn)象和抗拉強(qiáng)度
六、塑性
七、屈強(qiáng)比
八、靜力韌度(強(qiáng)塑積)
第四節(jié)金屬的斷裂
一、斷裂的類型
二、解理斷裂
三、微孔聚集斷裂
四、斷裂強(qiáng)度
五、斷裂理論的意義
思考題與習(xí)題
第二章金屬在其他靜載荷下的力學(xué)
性能
第一節(jié)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)
第二節(jié)壓縮
一、壓縮試驗的特點
二、壓縮試驗
第三節(jié)彎曲
一、彎曲試驗的特點
二、彎曲試驗
第四節(jié)扭轉(zhuǎn)
一、扭轉(zhuǎn)試驗的特點
二、扭轉(zhuǎn)試驗
第五節(jié)缺口試樣靜載荷試驗
一、缺口效應(yīng)
二、缺口試樣靜拉伸試驗
三、缺口試樣靜彎曲試驗
第六節(jié)硬度
一、金屬硬度的意義及硬度試驗
的特點
二、硬度試驗
思考題與習(xí)題
第三章金屬在沖擊載荷下的力學(xué)
性能
第一節(jié)沖擊載荷下金屬變形
和斷裂的特點
第二節(jié)沖擊彎曲和沖擊韌性
第三節(jié)低溫脆性
一、低溫脆性現(xiàn)象
二、韌脆轉(zhuǎn)變溫度
三、落錘試驗和斷裂分析圖
第四節(jié)影響韌脆轉(zhuǎn)變溫度的冶金
因素
一、晶體結(jié)構(gòu)
二、化學(xué)成分
三、顯微組織
思考題與習(xí)題
第四章金屬的斷裂韌度
第一節(jié)線彈性條件下的金屬斷裂
韌度
一、裂紋擴(kuò)展的基本形式
二、應(yīng)力場強(qiáng)度因子KⅠ及斷裂
韌度KⅠC
三、裂紋擴(kuò)展能量釋放率GⅠ及
斷裂韌度GⅠC
第二節(jié)斷裂韌度KⅠC的測試
一、試樣的形狀、尺寸及制備
二、測試方法
三、試驗結(jié)果的處理
第三節(jié)影響斷裂韌度KⅠC的因素
一、斷裂韌度KⅠC與常規(guī)力學(xué)
性能指標(biāo)之間的關(guān)系
二、影響斷裂韌度KⅠC的因素
第四節(jié)斷裂韌度在金屬材料中的
應(yīng)用舉例
一、高壓容器承載能力的計算
二、高壓殼體的熱處理工藝選
擇
三、高強(qiáng)度鋼容器水爆斷裂失效
分析
四、大型轉(zhuǎn)軸斷裂分析
五、評定鋼鐵材料的韌脆性
第五節(jié)彈塑性條件下金屬斷裂韌度的
基本概念
一、J積分及斷裂韌度JⅠC
二、裂紋尖端張開位移及斷裂
韌度δc
思考題與習(xí)題
第五章金屬的疲勞
第一節(jié)金屬疲勞現(xiàn)象及特點
一、變動載荷和循環(huán)應(yīng)力
二、疲勞現(xiàn)象及特點
三、疲勞宏觀斷口特征
第二節(jié)疲勞曲線及基本疲勞力學(xué)
性能
一、疲勞曲線和對稱循環(huán)疲勞
極限
二、疲勞圖和不對稱循環(huán)疲勞
極限
三、抗疲勞過載能力
四、疲勞缺口敏感度
第三節(jié)疲勞裂紋擴(kuò)展速率及疲勞
門檻值
一、疲勞裂紋擴(kuò)展曲線
二、疲勞裂紋擴(kuò)展速率
三、疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的估算
第四節(jié)疲勞過程及機(jī)理
一、疲勞裂紋萌生過程及機(jī)理
二、疲勞裂紋擴(kuò)展過程及機(jī)理
第五節(jié)影響疲勞強(qiáng)度的主要
因素
一、表面狀態(tài)的影響
二、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的
影響
三、材料成分及組織的影響
第六節(jié)常見疲勞斷裂
一、低周疲勞
二、缺口機(jī)件疲勞壽命估算
三、低周沖擊疲勞
四、熱疲勞
第七節(jié)疲勞短裂紋擴(kuò)展簡介
思考題與習(xí)題
工程材料力學(xué)性能
目錄
第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫
脆斷裂
第一節(jié)應(yīng)力腐蝕
一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生
條件
二、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理及斷口
形貌特征
三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)
四、防止應(yīng)力腐蝕的措施
第二節(jié)氫脆
一、氫在金屬中的存在形式
二、氫脆類型及其特征
三、鋼的氫致延滯斷裂機(jī)理
四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的
關(guān)系
五、防止氫脆的措施
思考題與習(xí)題
第七章金屬磨損和接觸疲勞
第一節(jié)磨損概念
一、磨損
二、耐磨性
第二節(jié)磨損模型
一、黏著磨損
二、磨粒磨損
三、沖蝕磨損
四、腐蝕磨損
五、微動磨損
第三節(jié)磨損試驗方法
第四節(jié)金屬接觸疲勞
一、接觸疲勞現(xiàn)象與接觸應(yīng)力
二、接觸疲勞破壞機(jī)理
三、接觸疲勞試驗方法
四、影響接觸疲勞壽命的因素
思考題與習(xí)題
第八章金屬高溫力學(xué)性能
第一節(jié)金屬的蠕變現(xiàn)象
第二節(jié)蠕變變形與蠕變斷裂
機(jī)理
一、蠕變變形機(jī)理
二、蠕變斷裂機(jī)理
第三節(jié)金屬高溫力學(xué)性能指標(biāo)及其
影響因素
一、蠕變極限
二、持久強(qiáng)度極限
三、剩余應(yīng)力
四、影響金屬高溫力學(xué)性能的主要
因素
思考題與習(xí)題
第九章聚合物材料的力學(xué)
性能
第一節(jié)聚合物材料的結(jié)構(gòu)
一、高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)——
構(gòu)型
二、高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)——
構(gòu)象
三、聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)——晶態(tài)、
非晶態(tài)及取向
第二節(jié)線型非晶態(tài)聚合物的
變形
一、非晶態(tài)聚合物在玻璃態(tài)下的
變形
二、非晶態(tài)聚合物在高彈態(tài)下的
變形
三、非晶態(tài)聚合物在黏流態(tài)下的
變形
第三節(jié)結(jié)晶態(tài)聚合物的變形
第四節(jié)聚合物的黏彈性
一、靜態(tài)黏彈性——蠕變與應(yīng)力
松弛
二、動態(tài)黏彈性——滯后和
內(nèi)耗
第五節(jié)聚合物的強(qiáng)度與斷裂
一、強(qiáng)度與硬度
二、銀紋與斷裂過程
三、韌性與增韌
四、摩擦與磨損
第六節(jié)聚合物的疲勞強(qiáng)度
思考題與習(xí)題
第十章陶瓷材料的力學(xué)性能
第一節(jié)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)
一、陶瓷材料的組成與結(jié)合鍵
二、陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)
第二節(jié)陶瓷材料的變形與斷裂
一、陶瓷材料的彈性變形
二、陶瓷材料的塑性變形
三、陶瓷材料的斷裂
第三節(jié)陶瓷材料的強(qiáng)度
一、彎曲強(qiáng)度
二、拉伸強(qiáng)度
三、壓縮強(qiáng)度
第四節(jié)陶瓷材料的硬度與
耐磨性
一、陶瓷材料的硬度
二、陶瓷材料的耐磨性
第五節(jié)陶瓷材料的斷裂韌度與
增韌
一、陶瓷材料的斷裂韌度
二、陶瓷材料的增韌
第六節(jié)陶瓷材料的疲勞
一、陶瓷材料的疲勞類型
二、陶瓷材料疲勞特性評價
第七節(jié)陶瓷材料的抗熱震性
一、抗熱震斷裂
二、抗熱震損傷
思考題與習(xí)題
第十一章復(fù)合材料的力學(xué)性能
第一節(jié)復(fù)合材料的定義和性能
特點
一、復(fù)合材料的定義和分類
二、復(fù)合材料的性能特點
第二節(jié)單向復(fù)合材料的力學(xué)
性能
一、單向復(fù)合材料的彈性性能
二、單向復(fù)合材料的強(qiáng)度
第三節(jié)短纖維復(fù)合材料的力學(xué)
性能
一、基體與纖維間的應(yīng)力傳遞
二、短纖維復(fù)合材料的彈性
模量
三、短纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度
第四節(jié)復(fù)合材料的斷裂、沖擊和
疲勞
一、復(fù)合材料的斷裂
二、復(fù)合材料的韌性
三、復(fù)合材料的沖擊性能
四、復(fù)合材料的疲勞性能
思考題與習(xí)題
附錄
附錄A與本書內(nèi)容有關(guān)的材料
力學(xué)性能試驗方法
標(biāo)準(zhǔn)及其適用范圍
附錄BΦ2值表
附錄C表面裂紋修正因子
附錄D金屬材料室溫拉伸試驗方法
國家標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能指標(biāo)
名稱和符號對照
附錄E不同條件下的試驗力(GB/T
231 1—2009《金屬材料布
氏硬度試驗第1部分:
試驗方法》
參考文獻(xiàn)