Mechanical Behavior of Materials（材料的力学行为）

引用

Meyers, M. A., & Chawla, K. K. (2025). Mechanical Behavior of Materials (3rd ed.). Cambridge University Press.

章节概要

全书共十六章，约960页。据第三版序言，其根本主题是在各种环境条件下，决定不同材料力学性能的机制，并统一地呈现金属、聚合物、陶瓷、复合材料、生物材料和电子材料。其基本思想是，微米或纳米尺度的结构决定材料的性能。作者说，本书主要用于机械工程和材料科学与工程的高年级本科及研究生课程，数学保持得相当简单，第一章提供所需的材料背景。他们还称本书是执业工程师和研究人员的参考书，所含内容多于一学期课程能够讲授的范围。

第1章：材料：结构、性能与表现

引入全书的主题。涵盖整体材料、复合材料和分级结构材料，以及晶体、金属、陶瓷、玻璃、聚合物、液晶、生物材料与生物医用材料、多孔和蜂窝材料、智能材料、电子材料和纳米技术的结构，最后讲实际材料的强度。作者建议把这一章当作参考章节和自学资料。

第2章：弹性与黏弹性

应力与应变、应变能、泊松比、复杂应力状态与莫尔圆、张量形式的各向异性刚度与柔度、多晶体的弹性性质、不同材料类别及纤维复合材料的弹性性质、黏弹性、橡胶弹性、生物材料与电子材料的弹性性质，以及弹性常数与键合的关系。

第3章：塑性

拉伸和压缩中的塑性变形、包辛格效应、聚合物和玻璃的塑性变形、流动、屈服与破坏准则（包括特雷斯卡和冯·米泽斯准则）、硬度与压入试验（含纳米压痕）、成形性、屈曲、肌肉力，以及若干生物材料的力学性能。

第4–5章：缺陷：点缺陷与线缺陷；缺陷：界面缺陷与体缺陷

第4章从理论剪切强度出发，详细讨论点缺陷和线缺陷：位错的行为、应力场、能量、位错源、相互作用以及派尔斯–纳巴罗应力。第5章讲晶界、孪晶、晶粒尺寸强化（霍尔–佩奇及其他理论）、纳米晶材料、体缺陷、聚合物中的缺陷以及微柱压缩试验。

第6章：变形几何与加工硬化

滑移的几何、极射赤面投影、滑移所需应力、多晶体的加工硬化与泰勒、西格、库尔曼–维尔斯多夫的理论、软化机制和织构强化。

第7–9章：断裂：宏观方面；断裂：微观方面；断裂试验

第7章讲理论拉伸强度、应力集中、格里菲斯准则、线弹性断裂力学、断裂韧性参数（裂纹扩展力、裂纹张开位移、J积分、R曲线）以及破坏强度的统计分析。第8章讨论金属、陶瓷、聚合物和生物材料的断裂机制以及断裂机制图。第9章介绍冲击、断裂韧性、弯曲及其他断裂试验。

第10–12章：固溶、沉淀和弥散强化；马氏体相变；特殊材料：金属间化合物与泡沫

合金的强化机制，包括微合金钢和先进钢的沉淀硬化；马氏体的结构、强度与形状记忆效应；以及有序金属间化合物和蜂窝材料。

第13–14章：蠕变与超塑性；疲劳

与时间相关的变形，包括扩散蠕变、幂律蠕变、变形机制图、蠕变断裂和超塑性；以及疲劳，从S–N曲线和累积损伤，到裂纹萌生与扩展、应用于疲劳的断裂力学和疲劳试验。

第15–16章：复合材料；环境效应

复合材料的类型、界面、性能、载荷传递、断裂和应用；以及腐蚀、氧化、环境助长断裂和氢损伤等对金属、聚合物和陶瓷的环境效应。

核心概念

第1–3章：结构、弹性与塑性

• 分级结构：从纳米到宏观尺度的结构如何决定性能。
• 各向异性弹性：刚度随方向变化的材料所用的张量形式胡克定律。
• 屈服准则：特雷斯卡和冯·米泽斯准则，以及脆性材料和复合材料的准则。

第4–6章：缺陷与变形机制

• 位错：其运动产生塑性变形的线缺陷。
• 晶粒尺寸强化：霍尔–佩奇关系及其他理论。
• 加工硬化：变形过程中的强化，附有第6章列出的各种理论。

第7–9章：断裂

• 格里菲斯准则与线弹性断裂力学：用能量和应力强度因子描述裂纹扩展。
• 断裂韧性：其测量及作为材料性能的应用。

第10–16章：强化、时间依赖性与环境

• 沉淀硬化与弥散硬化：用细小第二相颗粒强化合金。
• 蠕变与疲劳：持续载荷或循环载荷下的破坏。
• 复合材料中的载荷传递：基体与纤维如何分担载荷。
• 环境助长断裂：应力腐蚀开裂和氢损伤。

评析

优点

• 跨越材料类别的、基于机制的统一框架。 作者不是按材料分章，而是把金属、陶瓷、聚合物、复合材料、生物材料和电子材料放在一起，用“微观和纳米结构决定性能”这一主题把它们联系起来。
• 先讲机制，再讲模型。 讲缺陷与变形的第4–6章，以及讲强化、蠕变和疲劳的第10–14章，都从位错、晶界和显微组织出发解释性能。
• 试验方法与理论并重。 第9章专门讲断裂试验，第3、5、14章则涉及硬度与纳米压痕、微柱压缩和疲劳试验。
• 每章末有习题和推荐阅读。 每章都有推荐阅读和习题，作者说第三版新增了例题和习题。
• 第三版有更新。 序言列出了生物材料、阿尔茨七面体、高熵合金、微柱试验、EBSD和重合位置点阵、生物材料断裂韧性等新增内容。

局限

• 一学期讲不完。 作者承认本书内容超出了通常一学期课程所能涵盖的范围，教师必须做出取舍。
• 需要一定的背景。 作者称数学相当简单，但本书面向高年级读者，第一章旨在提供材料层面的背景，而第2章用张量处理各向异性弹性、第7章的断裂力学都超出了基础材料力学。刚接触材料的读者会大量依赖第一章。
• 跨类别的组织方式会把单一材料拆散。 由于章节按现象而不是按材料组织，只学金属或只学聚合物时，也要穿行许多章。

在课程中的定位

在这门材料科学课程中，Meyers和Chawla是专门讲力学行为的教材。Ashby、Shercliff和Cebon的以设计为主线的入门书，以及Callister和Rethwisch的 Materials Science and Engineering: An Introduction，是把结构、工艺和性能联系起来的第一门课教材，Callister还讲到原子键合、晶体结构和力学行为；Hall的 Materials: A Very Short Introduction 则是用日常例子写成的简短入门。这些书都能为第一章提供背景。

Porter、Easterling和Sherif的 Phase Transformations in Metals and Alloys 是讲述热力学、扩散和界面如何控制所形成显微组织的高阶教材。它补充了Meyers和Chawla关于强化和马氏体的第10章和第11章：Porter解释显微组织如何形成，Meyers和Chawla解释这些显微组织如何决定强度和断裂。

如何使用本书

本书适合学过第一门材料课程和基础材料力学的机械工程与材料科学高年级本科生及研究生。第一章提供必要的结构背景，可供查阅。

一学期课程的实用安排：

• 核心： 第2、3章（弹性与塑性），第4、6章（位错与加工硬化），第7、8章（断裂）和第14章（疲劳）。
• 随后： 讲晶界与强化的第5章，讲合金强化的第10章，以及讲蠕变的第13章。
• 按侧重点选读： 复合材料读第15章，环境效应读第16章，马氏体、金属间化合物和泡沫读第11、12章，试验实验课读第9章。

用各章末的习题检验理解，用推荐阅读超越正文。后面的章节遇到不熟悉的结构术语时，回到第一章查阅。