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第一章 材料：结构、性能和使役行为1

1.1 引言1

1.2 单一、复合以及多级材料3

1.3 材料的结构15

1.3.1 晶体结构16

1.3.2 金属20

1.3.3 陶瓷27

1.3.4 玻璃32

1.3.5 聚合物35

1.3.6 液晶44

1.3.7 生物体材料和生物材料45

1.3.8 多孔和泡沫材料47

1.3.9 生物体材料的纳米结构和显微结构50

1.3.10 海绵骨针：生物体材料的一个例子60

1.3.11 活性（或智能）材料61

1.3.12 电子材料62

1.3.13 纳米技术64

1.4 真实材料的强度66

推荐读物69

习题70

第二章 弹性和黏弹性77

2.1 引言77

2.2 纵向应力与纵向应变78

2.3 应变能（或变形能）密度83

2.4 切应力与切应变85

2.5 泊松比88

2.6 更复杂的应力状态90

2.7 双轴应力状态的图解：莫尔圆93

2.8 纯剪切：G与E的关系98

2.9 各向异性效应99

2.10 多晶体的弹性性能110

2.11 材料的弹性性能114

2.11.1 金属的弹性性能114

2.11.2 陶瓷的弹性性能117

2.11.3 聚合物的弹性性能122

2.11.4 单向纤维增强复合材料的弹性常数124

2.12 黏弹性126

2.12.1 储能模量和损耗模量129

2.13 橡胶弹性131

2.14 Mooney-Rivlin公式136

2.15 生物体材料的弹性性能138

2.15.1 血管138

2.15.2 关节软骨142

2.15.3 纳米层次的力学性能144

2.16 电子材料的弹性性能147

2.17 弹性常数与键合149

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习题159

第三章 塑性165

3.1 引言165

3.2 拉伸塑性变形167

3.2.1 拉伸曲线参数175

3.2.2 颈缩176

3.2.3 应变率效应180

3.3 压缩试验中的塑性变形187

3.4 Bauschinger效应191

3.5 聚合物的塑性变形192

3.5.1 应力-应变曲线192

3.5.2 玻璃态聚合物193

3.5.3 半晶体聚合物194

3.5.4 黏性流变195

3.5.5 绝热195

3.6 玻璃的塑性变形196

3.6.1 微观变形机制198

3.6.2 温度依赖性与黏度200

3.7 流变准则、屈服准则与失效准则202

3.7.1 最大应力准则（Rankine准则）203

3.7.2 最大切应力准则（Tresca准则）203

3.7.3 最大畸变能准则（von Mises准则）204

3.7.4 Rankine准则、Tresca准则与von Mises准则的图解与试验验证204

3.7.5 脆性材料的失效准则208

3.7.6 延性聚合物的屈服准则212

3.7.7 复合材料的失效准则214

3.7.8 其他各向异性材料的屈服和失效准则217

3.8 硬度217

3.8.1 宏观压痕试验219

3.8.2 显微压痕试验225

3.8.3 纳米压痕229

3.9 成形能力：重要参数233

3.9.1 塑性各向异性235

3.9.2 冲压-伸展试验与成形-极限曲线（或Keeler-Goodwin图）237

3.10 肌肉力240

3.11 某些生物体材料的力学性能245

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习题250

第四章 缺陷：点缺陷和线缺陷255

4.1 引言255

4.2 理论抗剪强度256

4.3 原子或电子点缺陷259

4.3.1 点缺陷的平衡浓度261

4.3.2 点缺陷的产生264

4.3.3 点缺陷对力学性能的影响265

4.3.4 辐照损伤266

4.3.5 离子注入271

4.4 线缺陷272

4.4.1 位错的实验观察276

4.4.2 位错的行为279

4.4.3 位错周围的应力场283

4.4.4 位错的能量287

4.4.5 位错弓出所需要的力289

4.4.6 不同结构晶体中的位错291

4.4.7 陶瓷中的位错301

4.4.8 位错源308

4.4.9 位错塞积313

4.4.10 位错的交割314

4.4.11 位错运动产生的变形（Orowan公式）316

4.4.12 Peierls-Nabarro应力318

4.4.13 位错的运动：温度与应变率效应320

4.4.14 电子材料中的位错322

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习题327

第五章 缺陷：界面和体缺陷331

5.1 引言331

5.2 晶界332

5.2.1 倾斜和扭转晶界336

5.2.2 晶界的能量338

5.2.3 晶界能随取向差的变化340

5.2.4 重位点阵（CSL）界面343

5.2.5 三叉晶界344

5.2.6 晶界位错和晶界坎345

5.2.7 多面体单元堆积的晶界结构346

5.3 孪生和孪晶界348

5.3.1 晶体学和形态学348

5.3.2 机械效应352

5.4 塑性变形中的晶界（晶粒尺寸强化）355

5.4.1 Hall-Petch理论359

5.4.2 Cottrell理论360

5.4.3 李振民理论361

5.4.4 Meyers-Ashworth理论363

5.5 其他内部障碍365

5.6 纳米晶材料367

5.7 体缺陷或三维缺陷370

5.8 聚合物中的缺陷373

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习题375

第六章 变形几何学和加工硬化381

6.1 引言381

6.2 变形几何学386

6.2.1 极射赤面投影图386

6.2.2 滑移所需的应力387

6.2.3 剪切变形394

6.2.4 滑移系中的滑移与加工硬化394

6.2.5 多晶体中的独立滑移系398

6.3 多晶体中的加工硬化398

6.3.1 Taylor理论401

6.3.2 Seeger理论402

6.3.3 Kuhlmann-Wilsdorf理论402

6.4 软化机制406

6.5 织构强化410

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习题413

第七章 断裂：宏观方面419

7.1 引言419

7.2 理论抗拉强度421

7.3 应力集中和Griffith断裂准则424

7.3.1 应力集中424

7.3.2 应力集中因子425

7.4 Griffith准则431

7.5 塑性裂纹扩展435

7.6 线弹性断裂力学437

7.6.1 断裂韧性438

7.6.2 线弹性断裂力学假设439

7.6.3 裂纹尖端分开模式439

7.6.4 各向同性材料裂纹尖端附近的应力场440

7.6.5 Ⅰ型裂纹尖端应力场的描述441

7.6.6 塑性区尺寸修正445

7.6.7 断裂韧性随厚度的变化448

7.7 断裂韧性参数451

7.7.1 裂纹扩展力G451

7.7.2 裂纹张开位移454

7.7.3 J积分457

7.7.4 R曲线460

7.7.5 不同断裂韧性参数之间的关系461

7.8 K Ic在实际应用中的重要性462

7.9 屈服后断裂力学465

7.10 失效强度的统计分析467

附录：裂纹尖端的应力奇异性475

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习题479

第八章 断裂：微观方面485

8.1 引言485

8.2 金属的断裂487

8.2.1 裂纹形核487

8.2.2 延性断裂488

8.2.3 脆性断裂或解理断裂500

8.3 陶瓷的断裂507

8.3.1 显微结构方面507

8.3.2 晶粒尺寸对陶瓷强度的影响515

8.3.3 陶瓷的拉伸断裂515

8.3.4 陶瓷的压缩断裂519

8.3.5 热诱发的陶瓷断裂524

8.4 聚合物的断裂527

8.4.1 脆性断裂528

8.4.2 银纹化和剪切屈服529

8.4.3 半晶体和晶体聚合物的断裂532

8.4.4 聚合物的韧性533

8.5 生物体材料的断裂与韧性537

8.6 断裂机制图542

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习题543

第九章 断裂试验547

9.1 引言547

9.2 冲击试验548

9.2.1 夏氏冲击试验548

9.2.2 落锤试验552

9.2.3 仪器控制的夏氏冲击试验552

9.3 平面应变断裂韧性试验555

9.4 裂纹张开位移试验560

9.5 J积分试验561

9.6 弯曲试验563

9.6.1 三点弯曲试验564

9.6.2 四点弯曲试验564

9.6.3 层间剪切强度试验566

9.7 脆性材料的断裂韧性试验568

9.7.1 Chevron缺口试验570

9.7.2 确定韧性的压痕方法571

9.8 薄膜与基体的结合575

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习题577

第十章 固溶强化、析出强化和弥散强化583

10.1 引言583

10.2 固溶强化584

10.2.1 弹性交互作用585

10.2.2 其他交互作用589

10.3 与固溶相关的力学效应589

10.3.1 应力-应变曲线的明显屈服点590

10.3.2 应力-应变曲线的平台和Luders带591

10.3.3 应变时效593

10.3.4 锯齿状应力-应变曲线594

10.3.5 Snoek效应595

10.3.6 蓝脆596

10.4 析出强化和弥散强化596

10.5 位错与析出相的交互作用605

10.6 微合金钢中的析出611

10.7 双相钢616

推荐读物616

习题617

第十一章 马氏体相变619

11.1 引言619

11.2 马氏体的结构和形貌620

11.3 马氏体的强度626

11.4 力学效应629

11.5 形状记忆效应634

11.5.1 聚合物中的形状记忆效应640

11.6 陶瓷中的马氏体相变641

推荐读物645

习题645

第十二章 特殊材料：金属间化合物和泡沫材料649

12.1 引言649

12.2 硅化物650

12.3 有序金属间化合物651

12.3.1 有序金属间化合物中的位错结构653

12.3.2 有序性对力学性能的影响656

12.3.3 金属间化合物的延性663

12.4 多孔材料667

12.4.1 结构667

12.4.2 力学响应的模拟669

12.4.3 理论预测与试验结果对比673

12.4.4 复合泡沫材料673

12.4.5 多孔材料的力学行为674

推荐读物679

习题679

第十三章 蠕变和超塑性683

13.1 引言683

13.2 关联法和外推法689

13.3 蠕变的基本机制696

13.4 扩散蠕变（σ/G＜10-4）697

13.5 位错（或幂次律）蠕变（10-4＜σ/G＜10-2）701

13.6 位错滑移（σ/G＞10-2）704

13.7 晶界滑动705

13.8 变形机制（Weertman-Ashby）图707

13.9 蠕变诱发的断裂710

13.10 耐热材料713

13.11 聚合物蠕变718

13.12 电子材料中与扩散相关的现象727

13.13 超塑性729

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习题738

第十四章 疲劳747

14.1 引言747

14.2 疲劳参数与S-N（Wohler）曲线749

14.3 疲劳强度或疲劳寿命752

14.4 平均应力对疲劳寿命的影响754

14.5 频率的影响755

14.6 累积损伤和寿命耗竭756

14.7 疲劳机制760

14.7.1 疲劳裂纹形核760

14.7.2 疲劳裂纹扩展765

14.8 线弹性断裂力学在疲劳中的应用770

14.8.1 生物材料的疲劳780

14.9 疲劳中的滞回热782

14.10 疲劳中的环境效应783

14.11 疲劳裂纹闭合784

14.12 双参数法785

14.13 疲劳中的短裂纹问题786

14.14 疲劳试验788

14.14.1 常规疲劳试验788

14.14.2 旋转弯曲试验机788

14.14.3 S-N曲线的统计分析789

14.14.4 非传统疲劳试验791

14.14.5 液压伺服试验机792

14.14.6 低周疲劳试验793

14.14.7 疲劳裂纹扩展试验793

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习题795

第十五章 复合材料801

15.1 引言801

15.2 复合材料的类型801

15.3 重要的增强体及基体材料804

15.3.1 显微结构方面与基体的重要性805

15.4 复合材料中的界面807

15.4.1 纤维-基体界面的晶体学性质807

15.4.2 复合材料中的界面结合808

15.4.3 界面交互作用808

15.5 复合材料的性能810

15.5.1 密度和热容810

15.5.2 弹性模量810

15.5.3 强度815

15.5.4 纤维增强复合材料的各向异性性质818

15.5.5 金属基复合材料基体的时效响应820

15.5.6 韧性820

15.6 从基体到纤维的载荷传递822

15.6.1 弹性纤维与弹性基体823

15.6.2 弹性纤维与塑性基体826

15.7 复合材料的断裂828

15.7.1 单一和多重断裂829

15.7.2 复合材料的失效方式830

15.8 复合材料的一些基本特征833

15.8.1 不均匀性833

15.8.2 各向异性833

15.8.3 剪切耦合835

15.8.4 强度的统计变化836

15.9 功能梯度材料836

15.10 应用837

15.10.1 航空类应用837

15.10.2 非航空类应用838

15.11 层状复合材料840

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习题844

第十六章 环境效应849

16.1 引言849

16.2 金属腐蚀的电化学本质850

16.2.1 电偶腐蚀850

16.2.2 均匀腐蚀851

16.2.3 缝隙腐蚀852

16.2.4 点蚀852

16.2.5 晶间腐蚀852

16.2.6 选择性腐蚀853

16.2.7 冲刷腐蚀853

16.2.8 辐照损伤853

16.2.9 应力腐蚀853

16.3 金属的氧化853

16.4 环境诱发金属断裂854

16.4.1 应力腐蚀开裂（SCC）855

16.4.2 金属中的氢损伤858

16.4.3 液态和固态金属致脆865

16.5 环境对聚合物的影响865

16.5.1 化学药品或溶剂侵蚀866

16.5.2 溶胀866

16.5.3 氧化869

16.5.4 辐照损伤869

16.5.5 环境银纹化870

16.5.6 减缓聚合物的环境损伤871

16.6 环境对陶瓷的影响871

16.6.1 陶瓷的氧化875

推荐读物876

习题876

附录879

索引887