Mechanical Behavior of Materials（材料的機械行為）

引用

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

章節概要

全書共十六章，約960頁。據第三版序言，其根本主題是在各種環境條件下，決定不同材料力學效能的機制，並統一地呈現金屬、聚合物、陶瓷、複合材料、生物材料和電子材料。其基本思想是，微米或奈米尺度的結構決定材料的效能。作者說，本書主要用於機械工程和材料科學與工程的高年級本科及研究生課程，數學保持得相當簡單，第一章提供所需的材料背景。他們還稱本書是執業工程師和研究人員的參考書，所含內容多於一學期課程能夠講授的範圍。

第1章：材料：結構、效能與表現

引入全書的主題。涵蓋整體材料、複合材料和分級結構材料，以及晶體、金屬、陶瓷、玻璃、聚合物、液晶、生物材料與生物醫用材料、多孔和蜂窩材料、智慧材料、電子材料和奈米技術的結構，最後講實際材料的強度。作者建議把這一章當作參考章節和自學資料。

第2章：彈性與黏彈性

應力與應變、應變能、泊松比、複雜應力狀態與莫爾圓、張量形式的各向異性剛度與柔度、多晶體的彈性性質、不同材料類別及纖維複合材料的彈性性質、黏彈性、橡膠彈性、生物材料與電子材料的彈性性質，以及彈性常數與鍵合的關係。

第3章：塑性

拉伸和壓縮中的塑性變形、包辛格效應、聚合物和玻璃的塑性變形、流動、屈服與破壞準則（包括特雷斯卡和馮·米澤斯準則）、硬度與壓入試驗（含奈米壓痕）、成形性、屈曲、肌肉力，以及若干生物材料的力學效能。

第4–5章：缺陷：點缺陷與線缺陷；缺陷：介面缺陷與體缺陷

第4章從理論剪下強度出發，詳細討論點缺陷和線缺陷：位錯的行為、應力場、能量、位錯源、相互作用以及派爾斯–納巴羅應力。第5章講晶界、孿晶、晶粒尺寸強化（霍爾–佩奇及其他理論）、奈米晶材料、體缺陷、聚合物中的缺陷以及微柱壓縮試驗。

第6章：變形幾何與加工硬化

滑移的幾何、極射赤面投影、滑移所需應力、多晶體的加工硬化與泰勒、西格、庫爾曼–維爾斯多夫的理論、軟化機制和織構強化。

第7–9章：斷裂：宏觀方面；斷裂：微觀方面；斷裂試驗

第7章講理論拉伸強度、應力集中、格里菲斯準則、線彈性斷裂力學、斷裂韌性引數（裂紋擴充套件力、裂紋張開位移、J積分、R曲線）以及破壞強度的統計分析。第8章討論金屬、陶瓷、聚合物和生物材料的斷裂機制以及斷裂機制圖。第9章介紹衝擊、斷裂韌性、彎曲及其他斷裂試驗。

第10–12章：固溶、沉澱和彌散強化；馬氏體相變；特殊材料：金屬間化合物與泡沫

合金的強化機制，包括微合金鋼和先進鋼的沉澱硬化；馬氏體的結構、強度與形狀記憶效應；以及有序金屬間化合物和蜂窩材料。

第13–14章：蠕變與超塑性；疲勞

與時間相關的變形，包括擴散蠕變、冪律蠕變、變形機制圖、蠕變斷裂和超塑性；以及疲勞，從S–N曲線和累積損傷，到裂紋萌生與擴充套件、應用於疲勞的斷裂力學和疲勞試驗。

第15–16章：複合材料；環境效應

複合材料的型別、介面、效能、載荷傳遞、斷裂和應用；以及腐蝕、氧化、環境助長斷裂和氫損傷等對金屬、聚合物和陶瓷的環境效應。

核心概念

第1–3章：結構、彈性與塑性

• 分級結構：從奈米到宏觀尺度的結構如何決定效能。
• 各向異性彈性：剛度隨方向變化的材料所用的張量形式胡克定律。
• 屈服準則：特雷斯卡和馮·米澤斯準則，以及脆性材料和複合材料的準則。

第4–6章：缺陷與變形機制

• 位錯：其運動產生塑性變形的線缺陷。
• 晶粒尺寸強化：霍爾–佩奇關係及其他理論。
• 加工硬化：變形過程中的強化，附有第6章列出的各種理論。

第7–9章：斷裂

• 格里菲斯準則與線彈性斷裂力學：用能量和應力強度因子描述裂紋擴充套件。
• 斷裂韌性：其測量及作為材料效能的應用。

第10–16章：強化、時間依賴性與環境

• 沉澱硬化與彌散硬化：用細小第二相顆粒強化合金。
• 蠕變與疲勞：持續載荷或迴圈載荷下的破壞。
• 複合材料中的載荷傳遞：基體與纖維如何分擔載荷。
• 環境助長斷裂：應力腐蝕開裂和氫損傷。

評析

優點

• 跨越材料類別的、基於機制的統一框架。 作者不是按材料分章，而是把金屬、陶瓷、聚合物、複合材料、生物材料和電子材料放在一起，用「微觀和奈米結構決定效能」這一主題把它們聯絡起來。
• 先講機制，再講模型。 講缺陷與變形的第4–6章，以及講強化、蠕變和疲勞的第10–14章，都從位錯、晶界和顯微組織出發解釋效能。
• 試驗方法與理論並重。 第9章專門講斷裂試驗，第3、5、14章則涉及硬度與奈米壓痕、微柱壓縮和疲勞試驗。
• 每章末有習題和推薦閱讀。 每章都有推薦閱讀和習題，作者說第三版新增了例題和習題。
• 第三版有更新。 序言列出了生物材料、阿爾茨七面體、高熵合金、微柱試驗、EBSD和重合位置點陣、生物材料斷裂韌性等新增內容。

侷限

• 一學期講不完。 作者承認本書內容超出了通常一學期課程所能涵蓋的範圍，教師必須做出取捨。
• 需要一定的背景。 作者稱數學相當簡單，但本書面向高年級讀者，第一章旨在提供材料層面的背景，而第2章用張量處理各向異性彈性、第7章的斷裂力學都超出了基礎材料力學。剛接觸材料的讀者會大量依賴第一章。
• 跨類別的組織方式會把單一材料拆散。 由於章節按現象而不是按材料組織，只學金屬或只學聚合物時，也要穿行許多章。

在課程中的定位

在這門材料科學課程中，Meyers和Chawla是專門講力學行為的教材。Ashby、Shercliff和Cebon的以設計為主線的入門書，以及Callister和Rethwisch的 Materials Science and Engineering: An Introduction，是把結構、工藝和效能聯絡起來的第一門課教材，Callister還講到原子鍵合、晶體結構和力學行為；Hall的 Materials: A Very Short Introduction 則是用日常例子寫成的簡短入門。這些書都能為第一章提供背景。

Porter、Easterling和Sherif的 Phase Transformations in Metals and Alloys 是講述熱力學、擴散和介面如何控制所形成顯微組織的高階教材。它補充了Meyers和Chawla關於強化和馬氏體的第10章和第11章：Porter解釋顯微組織如何形成，Meyers和Chawla解釋這些顯微組織如何決定強度和斷裂。

如何使用本書

本書適合學過第一門材料課程和基礎材料力學的機械工程與材料科學高年級本科生及研究生。第一章提供必要的結構背景，可供查閱。

一學期課程的實用安排：

• 核心： 第2、3章（彈性與塑性），第4、6章（位錯與加工硬化），第7、8章（斷裂）和第14章（疲勞）。
• 隨後： 講晶界與強化的第5章，講合金強化的第10章，以及講蠕變的第13章。
• 按側重點選讀： 複合材料讀第15章，環境效應讀第16章，馬氏體、金屬間化合物和泡沫讀第11、12章，試驗實驗課讀第9章。

用各章末的習題檢驗理解，用推薦閱讀超越正文。後面的章節遇到不熟悉的結構術語時，回到第一章查閱。