绪 论 1,工程材料的力泽性能在制料科学与工程中的炮位 一般说来，力学性能是工程结构材料所究和定用中最关键性的问随。这是周为： (1)力学性能通种是工程结构或第件没计中最重要的数揭和依整。 (2)力学性能通琳是新材料能否由研制状态速入工程应用的基本考核指标，尤其是等合 性能（包括度和蜜性）的优劣常常是决定性因累。 (3)任同机城结构的失效（位括不随满足设计的工作能力成未达到面期的工作寿角而搬 坏)尽管形式多种多样，究其原因除设计不当外，一最都归因于在最役中的载背形式和环境条 件下未能达到要求的力学性整：所以，通常的失效分析在拟大程度上也是國绕破荷和环境以 及相关力学性腕分析面展开的。 由此可见，在材料科学与工程中，材料的力学性能最然占有额重要的地位。 2.工操材料力学生能研究的对康 一般说来，力学性能研究主要包括两个方而：一是建立话当的模服和给出定量的处理方 法：二是信助陵现分新，银树材料力学生能的实质，以便能动地改造和是高制料的力学生能， 所以，工程材料的力学性修应涉及的内容有： (1)工程材料在各种服授条件下的失效残染及微现机理 (2)各种力学生能槽标的物理餐念，案用意义以及它们之闻可能的相互联系。 (3)影响工程材料力学性能的因零以及提高力学生能的方肉和途径。 (4)各种力学往能的遇试方法。 不过，应当拉出，作为材料科学与工程类各专业的一门公共技术基础课程，它不可能在微 现机理方面作解入的讨轮，有关内客将解拾相应专业误程去解决。 3.工程材料力学性能的分类 工程材料力学性能首先当然和材料的本置有关，但在服受素件下，自松还和它所处的工作 条件有积密切的联系。所以，其蕉本分类是由找主要服投条件所确定的。 (1)使服投的苦度分为低洲，常湿和高温力学性能，其中在概念上更宜以所处湿度与材料 的熔点（或其类似将任酒度）的相对值为高，低温的分界，这样对其机理分析更方便、更确切。 (2》按加载速度分为静较和对载力学性能，加我速度所可按应力速率(N/m2)/s),也可 按应安速率(1/s)始出。以应变速率为偶，通常可考虑以10~s作为大致的分界：10-/s以下 为静载：10/s以上为封载。在动纹力学往能中还包括雕次如载（如冲由）和循环加载（如玻 劳)两大类。 (3》按非稀性和解蚀环境分为替通雅环境介周作用下的力学生能。前者通席稻在干燥空 气介质下的力学往能：而在其桂更有嘴生性的弁质下财均被棍为后者（知应力属蚀，病娃被劳 等)。由此可见，两者本质上只是腐过作用轻重不同已。不过，从实际应用的意义上说，考虑 环境介规作月下的力学行为显然更楼近于真实的眼投状态，而且在许多情况下，介就的作用已 构成材料力学性能的控制性因累
工和树韩的力平生能 (4)材料在不月应力状志（或加载方式》下食常有不同的力学性值响应。这及因为，在不 同如载方式中，受载物体的任何一友处的定力总可以分解为切区力：和正应力：两都分。 殿切应力引起塑性变形，复材料发生切性斯裂：而正应力通常引起弹性变形，最终存易导意榄 性新裂。所以，从宏现上说，至少可以利用不可应力状卷中的最大切里力与最大正型力 的比氩来判断材料在所受师载方式下更趋向于潭种变形和断裂。衣材料力学衡给曲的第 二强发现论。=(1一：花第三烈度理地，m-1一(2+，式中：12和 是按大小顺序排列的三个主应力！v是拍松比，令▣”t/:为应力状态的秋性系数，当， =0.25时，有。=(1-a/201-0.5(2+》】.搭例末说，单向拉伸如装时.2”m0, 则。”s1一一宁1所以。=0.5，显格。8大越大，表示应力状态越软，悠容号 产生显性变形和制性所裂，反之，▣值格小，表示应力状态然硬°，蛇容每产生脆性新数，表0.1 给也了常见的几种真型闺载方式（立力状态）的较性暴数做。由表中戴据可见，三向不等拉神 和三向不等压缩是两种很极喃的术态，面单向拉伸比较适中，这正是它在工程材料的力学试验 研究中安用最广的原因， 表，】不同初餐方式的虫力状高铁性聚危 力 如黄方式 食性系数 01 1 8) 三询不等拉样 《6/9e (8/9)e 0.1 单肉控押 0 0.5 粗校 0 -8 0.R 二向等压缩 0 -I 单有所增 0 0 三州不等压的 《=13g 【=1/32m 也上述分析可见，的确有必鬓给出材料在相应应力状态下的力学性俺，以精是各种实际受 力状态的蓄要。在这方面不仅但括通食所播的拉伸，玉堵，弯曲及扫转等打载方式的变化，面 且还包括军件上存在缺口成餐故所引起的应力状态的急刷政变，从而有必要去研究这些相美 条件下的力学性能。赠如从20世纪50年代以来，对受载装蚊体的研究推出了断裂力学和随 之发限的材料抗裂的断裂初性，以及这类分析在材料费劳裂纹扩限希性中的应用等，这些都是 工程材料力学性能中登重要的进展。 +。力学性能与材料料学的发展 以工程结构材料为倒，早期是以低碳橱为代表的。这是因为它塑性好，强度低，在断裂物 通幕有明显变形，容每璃保结构的资全。因此，它在一般机械工业中得到了广泛的应用。核而 在力学性能的研究上，当时也只限于什祖下的几种常规静载和动成性捷，但是，随看工程结构 设计上要求高效，紧澳，将别是檬杭空航买等高被术的发展，使高强度材料和高耐热材料得到 遇速发展和应用。因黄者的有限单性而引入的旋所央效，促使葡述的断袭力学以及材料断裂 翻性和裂纹梦展特性的研究，这种力学性能的研究又反过来雅动了人们对高强材料的认识，并 指出了它空有的发履方向：后着则推动了高盈力学性能（请如绣变和将久强度）的研究，其中特 别是与高国部件最投柔件更接近的力学性能一一场变一技男的交互作用愈来意受到人们更大
d 的关注。当然，在所有这些观察与研究中，大量的实验经验表明，环境介质在多数柳况下都是 一个影响材料力学性能的重要因素。乐以，随着研究的深入，抗体力学性能和抗独材料同时得 到了花足的发展。 长翔以案，由于工程材料特别是金漏结构用材料在多数情况下均为多品体，在宏现上可视 为均霞的各向同性体，所以有关力学生能的研光包主要限于这种类组。它以金属为主，包括侧 瓷以及少殿用于结构的高分子材料，随奢现代技术，特别是航空粮天和海洋工星技术的发展， 要求材料兼具高强度，高用度，高橱度和低密度等更好的综合性能，而且还要求能经受住各种 极帽环境的考验。是然，不论是金属，陶密成高案物等单一材料部是无去调足这种要求的，于 是人们蒂希型于两种文两件以上材料的复合。日前，作为结构用复合材料中最具型的有以聚 酯或环氧树指为基体的碳璃纤橡增强材料和以环氧树隆为基体的硫好推增强材料两大类。它 们的问世，使力学性能也进人了一个新的领视，即由均爱各向同性向各向丹生过液。基于干这方 面的原因，木书对这两类材料的力学行为是分别都以阐述的
第一篇金属的力学性能 金属作为发观上均匀、各向同生的材构材料.其应用历史最整久，因而对其力学行为和试 验打法的研究也较为深入和完醉，并成为对其佳工程材料进行问类研究的主要错鉴。所以，本 篇以结构用金国材料为主，兼颗陶烧和高分子材料，讨论它们在各种加载方式和环境（即服段 条仲)作用下变形和断裂的物理实厌，尖效方式，杭力指标及主要影响因素。 第一章静拉伸下的力学性能 正如烤论中指出，由于单转拉仲应力款态的软性系数〔：“0.5》近中，所以只要材料國有 的型生较好，强度不是太高，利用这种试验方法就能够较全图地显承材料的力学利宝，即既能 显示常性变彩，又能充分显示取性和量后新裂，因面相皮可标定出一系列对应的燕本力学性能 (缓业和数性》指标，为非构都件的设计、速材以及制定材料的合理加工工艺提供必要的性能数 揭。因此，单轴拉伸是工程材料力学性能中最茶本的试验方法。正因为它能全而地显录材料 的力学利应，所以在这一章中转就材斜的弹生变形、邻性变形和斯断整进行较多的阐还和分析。 作为材料在其龟戴神和环境条件下的力学响应分析的一个初步高留， 应当指出，在不特别指明的情况下，静拉伸力学性能通难是指在室湿、应变违率≤0/。 和非高蚀（一般指干燥空气）环境中试验得到的力学性能， 。1.1拉伸曲线和应力一应变曲线 1.1,1拉伸试样 拉伸试验一散朵用图形试样或板状试样·（见图11），其比制试释的原始标距为。对 板状试样：长形试样。=113写：矩形试样e5.6550,S。为试样原始截f积，对圆形 试样，长形试样a=10de:郑形试样o=5de:do为试样原始直径。 1,1.2拉伸线和应力一应变曲钱 校伸试验通常是在应变速率≤0/的情况下进行的，由于这种应变速率较低，所以裕 防静拉神试验。 拉神试验机通常带有白助记康或绘图装置，可将作用在试样上的力F和所引起的傅关 △！自劲记暴绘出力一伸长曲线，时之为拉伸图成拉伸业线，围火低最蜗的具型拉仲由线承子 图1.2(：)，力除以试样的原始蒙面积即得工程应力a,=F/S,:伸民量除以紧始标距长度即 。有美拉牌乃里其他材系力学某骏际用法样打评偏要这国森偶本教制财录A心中两生的相庄试餐标准
养一幸醉林伸下的力净性越 《a》四率以样 》板状以样 图1.】素局的拉海试挥 得工程应变，《=4/：图1,2(6)表示工程应力一应变由线，简称应力一应变曲线，比较 图1,2(a)和图1.2(6)，可以着出，两答具者相同戏相似的形状，但坐标刻度不同，意义不同。 tel 多 里1.1餐装铜的性棒图(=和店力一应变陆峰引1 从图12可见，甘样在拉仲过程中可分为四个阶段！ (1)性变彩阶段：曲找的起始部分，图中的网段。多数是直战乖式的，符合度克定律， (2)届服腕投：翅出弹性变形花围之后，有的材料在型性变形的初期产生明显的型生演 动，这时，在力不墙如或增虹很小玻略有降低的情况下，邀矮产生交形，拉仰图上出现平台或 锯传，见图中的a6数。 (3)均匀变形黎段：属极后，敢避域空形，必衡不断带加载荷，此阶酸的变形是均匀的。这 种随塑性变形增大，变形抗力不斯增都的凭象叫形变硬化。当曲线达到量高点：时，均匀变形 阶段结束。 (4)局部变形所数：从试样受最大应力的点©开始直到断裂点d为止。随着空形增大， 我荷下降，产生大量不均匀变形，且第中在须媚处，最后载构达到F:时，试样断裂。不过，应 该注意到退火低碳钢作为一种高单生金属材料，在这一阶假尽管外观上出规了显著的局部变 形，目此时本质上是内部已开始出观孔判以及它们的长大和聚合，从而走向断裂，所似，这一 所议是断裂的密备阶段，将在本章的后绿部分讨论。 在金属、陶密及高聚物材料中，拉传条件下的座力一应变由线大效有五种类型（见图1.3）： (1)炮弹性量（见图1.3(@）)：有这种。一曲就的材料主要是大多数装璃.刚毫、岩石、横
玉程材外的力单线 向交联很好的靠合物以及一些低组下的金属， (2)第性一均匀型性型（见图1,3(6）)：有这种：一《由线的材林主要是许多金属及合金， 形分测觉和非晶态高聚物。应该指出，把部分韦品态高聚物归入此类只是按应力一应变由线 (d 图1：3五种生整的标称庄力一标称店资由线 的形式刻分的。对于高聚物，尽繁表现弹性变形和制性变形与金属有相仿的。一。由线形式， 但在变形本质上是有一定区别的。 (3)弹性一不均匀塑生型《见出1,3()》：有这种。一：脂线的材料主要是纸氢和高应变 速率下的置心文方金属，其裂性变形常臂不是通过滑移而是李生，当平生应变速率起过试验 机夹头运动速度时，负背会绕粉松泡而呈现记暴到的蛋由形：一：出线。某些含微原于的体 心立方钱合金以及铅合金低溶成圆溶体也有类似的：一由线。 (4)佛性一不均匀塑性一均匀型性丝（见图1.3(d):有这种一由线的材料主要是一 些体心立方的铁蒸合金和若干有色合金。它与图1,1()的不问仅在于中司带加了一段不均 匀单性屈量区（安座值大政为1影一3%》。 〔5)弹性一不均匀圆性一均匀型性型（见图1.3(：）)：有这类。一。由线的材料主要是一 些姑晶态高聚物和未经拉伸的候彩非壶底案物。受拉结品高要物出现这种情况是因为有两 个因素相互制灼的结果。开始麦形时，结品高聚物中原有的结晶结构被破坏，随之发生幅颈” 国眼，从面载将下降，绝域增如应变可促使变形录烈的区域重新组合成斯的，方向往好和强 ·运里的餐漏与金国材脚中的深家有形式上别包，用实规上有誉刷，所似箭用不用术语细区形
养一车检钟下的力平性简 度高的结品洁构。陆着这种新结彻的增多，应力一应变曲妮再次上升，直至断裂。线形非品志 高聚物受拉伸在形式上是现与此十分相献的。一：由就，但细额的发生是由于线彩大分于结 段的取向孤不是结晶结构的变化。 应当穑出，上述应力一应变曲线只是在弹性及小塑性变形花属内才近似真实地反快了材 料对外加负背的响应，而其不真实性随塑性变形景的埔大而增大，一且由家视购匀塑性交形过 覆到局部集中塑性变形（如在金属材料中的颈赠和高聚物中的相源）死象后，则尤其不离实了。 所以，用真应力一真空变曲规（魔=黑）来表征材料对外力的响应才更知合理， 从应力上说，具应力：靠要用直实解间餐面积S念相空的较背F,即 9有=P/S (1.1) 而囊则应为各瞬时应变的总和，即 a-xih.bii.. (1.2) 由真应力嘉和宾应变靠表示的应力一定变由线则 称为真应力一真定变山线(：黑一底（见图1,4），因 以，相对而直，百一《自规则为一种标称（条件）的应力 一应变由线。不过，在小应变花围内（如真0.1）， 二者的区影很小，可以混用。只有在试样标距长度 国 的某处出现颈第，承力达到最大值以后的局部集中 变形阶段，真应力底和标称（条件）应力。的是别才 影1,4真应力一真应变由线 明是变大。 81.2弹性变形，Hooke定律和弹性模量 任何材料在外力作用下，开始感会有弹性变彩，而且能大多数工程构作在正常最役条件下 也霜处于弹生状老，所以，材料的弹生行为对工程枸件的聚投性佳有重要影响。 材料的弹性桂变形一般是尿子系在外力作用下高开平衡位盛达到新的平衡状声的过程， 所以要了解弹性变邪的规律，有必要从原干慎型人手：另外，由于工楼结构和零件实际上或多 减少是在二向或三向受力状声下工作的，其弹生变形还必需聚从广义Hk:定律和受诸多果 性常数（除弹性模禁外，还有泊松比，体积痕量等）乐制的。这些就是木节委讨轮的主要何题。 1.2,1弹性变形的Hke定律和双原子镇型 H最早研究了金属的弹性变形礼襟，通过试验伦得到以下的比解关系： 1…1=营数·eF/5g 式中：是试样在负背F作用下的花度：和5。分别为试样的原始长性和藏面积。改写上 式有 F/5。=按粒·(：-a/le g”e (1.3) 式中的比钢因子E就叫做单轴拉伸下的弹性根量。它表狂控方陆空变增长的强度，即图1.4
王程村料的方等性童 中初始厦OA的斜率。它与变形的符号无美，在拉伸和压增下有相同的慎。 金属的弹性变形来源于原子间的相互作用一数引力和件斥力。对以金国健结合为主的 晶体面言，可以认为，吸引力是金得正离子与公有电千间库仑引力指用的结果。所以，这种力 是长程的，在比菜子间距大得多的是离处它行然起作用并占优》（见图1.5中的由线）。而 非乐力是短程力，只有当原于臣离快近时才起主导作用（见图1.5中的由规2）。二着的合力 如图1.5中的自线3新茶，可见当段引力和排斥力达到平衡时，就决定了二原子的平衡距离 相应处子量低的佳量状态（见图1,6）。当外力使原子馨近成分开时，原米的平衡就被破 坏，并在外力、引力和斥力之间建立新的平衡。二原千静定在新的平衡距离：上，相应金属产 图1S二个源子间的阳亚作用为 图1.。二个障子向的相互作用能 生了变形。设尿子位移为“，则￥一a一aa。在平衡条件下，外力F与结构能(》的关系是 F=du)/du 《1.4) 如果外力F引起一个小位移d,圳它作功Fdw为结合能中的变化Φ（触十dx】-中(r)所补 供。由式(1,4)可见，此变化就等于Fdu。知果卤数(u)局连续函数，则可用Tyr级数展 开，得 (u)=+u(do/du)o+d/dv)o+R(u) 式中：是年=0处的交互作用阳，其他导数也都是在一0处得真的：R《)为的高欢项。 由于数（￥）在￥=0处有最小值，所以，(d地/6=0。又授位移型家ao,则m的三次 璞和更高次项可以忽略。上式即可管化为 pu)o/dao 将其代人式(1.4)，有 F-(d/du) 二阶导登(d/￥)o暴函登(=)在点w=0处的由率，所以它与w无关（包括大小和方 向)，而且是一个#数。这样一米，上式可写成 F一常数·4 这就是外力与位移成正比的Hk。定律形式。 当然，双原于慎显给出的正比关系只在4家：的情况下才有爱，预料应存在更大范图内 的春线性弹性变形。有人用直径为1.6：m的铁剂颗试检时，的确得到了高达的5%并出现事
果一章排柱钟下岭刀零性机 线性的弹性资形（见图1，T)。然而，在大尺寸的实麻金属材料 中，通常箱达到的弹性变形量要小得多。以钢为例，若近似收 弹生变形花圈内的最大应力。=100阳MP,这已经是高通度 钢了：若取弹性模址￡=2×10心MP%,则北最大弹性应变 《=a/E=0.5%。这种差测是因为实际品体中不可避免地存在 缺屠，其中最重餐的就是钱款届一一位裙。在外力作用下，弹 性变形在远未达到其量大可使值前，就金因为位情的远动和情 殖而发生整性变形，或固表留或内在较大的陕第而引起过早的 断县。正因为实释金属材料达不到议么高的弟性皮变，所以现 拿到的应力一应变关系就可以看成是正比的直线关系，即 图1.】铁晶调的煤性变形 ke定挂是近似正确的。 1.2.2广义H0eke定律 严格说，式(1.3)斯麦达的弹性度形只限于实际物体中的各向同生体在单陆加载下受力方 向的应力与弹性应变的关系，而且即能在这种条件 下等体在年直干如载方向上还有弹性变形，更不用 说在复杂应力状态以及不同程度的各内学生体上的 单柱变形，所有这些霜清婴利用广义Hke定律才 能得到正育的容案。 在一：的受力物体中，应力分布是不均匀的，每 点的应力软态各不相同。通常。一点的应力状态是 用假烧该点取一单元正六面体（见图1,8），并将每一 藏而上的应力分解为分别与三个坐标箱平行的一个 正应力和二个切应力分量，由图1.8可见，作用在 单元依上的皮力分量共有九个，其中三个正应力分 型18单元大面体上药庄力分量 量为，4，和g,六个切应力分慧为tn”【a· tg:::不过，由切应力互等原理，有T。 如，==t:T,■：，放一点的应力分量中只有大个独立的应力分量，相应独立的正空变和 韧应变也只有大个，即，：，和？，7m·7。每一个应力都是这大个应变的楼性函数： Cuer Cut,Cist.Cuye CisYm+CnYu (1.5) Ta Cat Cnty Cus,CuTn CisTx CoTu 式中：C,C,…是刚度常数。在式L,5)中只写了两个方程，余下四个应力分罐的方程可齿 类似方法写出，对于，大个刚度常粒为C1,C,…,C:对a,为C,C,",Cs对F为 C数，C2,“,C:对ru为C,C,…,C4同样每个宝变也可写成大个应力的函数： g"S1I◆51uy+5u9。+S45ag+S155=+S16tr (1.6) Yr 5n0+S20,+Sud.SuE+S4st+Sutur 其它四个方程可载类烈方法可出。式中5u,S2,",5e是柔度常数。两种舞数统称为弹性 常粒。这线用弹生常数联系屈米的应力一？变美系就是广义Hk定律
10 工理材样岭刀博性量 由式(1.5)和式(1,6)可见，两种常数都有35个。不过，可以正明S,=S,和C,=C,所 以二者最多也只有2引个是孩立的。健着品伟的对称性触高，鞋文常数的个数就炫少，直至在 对称性最高的各向司性依中就只利下二个独文的弹性常数，即 0 Su 5t 0 51 0 2《Sn-5a） 0 (1.7) 2(5u-S) 0 2(S1-sa》 各种品体的鞋立信数个数如表1.1所列。 表1,1晶体结构与结立弹性常数个数 晶体结构 位立常数个数 三斜居系 21 单鲜品系 13 解方品系 9 国方是系 六方晶系 室方昌系 各向同生体 由于金属材料、陶瓷和高分子靡合物在许多情促下部可以看成是各向月生律，因此以下只 讨论其广义Hk:定律的形式和有关工程常用珠性#数的定义， 在各向同性体中，通常用Su不S:定义以下一些工程常用弹性常数。它们是 卫 Su (1.8) G■25n-5a 期由式(1,7)和式(1.8)导出的各向同性体广义1oe定律的形式是 -。-o,+ =%-a+刃 =-+川 (1.9 =古 = 加名n