周益春-材料的宏微观力学性能.pdf

绪　论 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品所用的那些物质，它是人类赖以生存 和发展的物质基础。 历史学家曾将人类的历史划分为石器时代、铜器时代、铁器时代等，由此可 见，新材料的推出与应用对人类的文明形成与进步发挥着重要的作用。 材料、信息、能源被人们 视为现代文明的三大支柱。 材料具有重要性、普遍性和多样性的特点。 由于具有多样性的特点， 其分类方法尚没有统一标准。 常见的两种分类方法是结构材料与功能材料，传统材料与新型材 料。 结构材料是以力学性能为基础，用来制造受力构件，当然结构材料对物理或化学性能也有一 定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等；功能材料则主要是利用物质的独特物理、化 学性质或生物功能等而形成的一类材料。 一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如铁、铜、 铝等。 传统材料是指那些在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。 这类 材料由于其量大、产值高、涉及面广，又是很多支柱产业的基础，所以又称为基础材料。 新型材料 （先进材料）是指那些正在发展，且具有优异性能和广阔应用前景的一类材料。 新型材料与传统 材料之间并没有明显的界限，传统材料通过采用新技术，提高其技术含量，提高性能，大幅度增加 其附加值而成为新型材料；新型材料在经过长期生产与应用之后也将成为传统材料。 传统材料 ［１］ 是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展 。 力学的起源是和人类活动紧密相关的。 从人类的生活活动、生产活动开始便出现了力学。 比如，要搬一块石头，用手搬不动就用棍子去撬，这就涉及一个基本的力学规律。 力学的发展经 历了如下几个阶段：１７世纪以前，力学处于初期的发展阶段，主要是生活生产实践方面的；从 １７、 １８世纪直到 １９世纪，力学处于以牛顿力学为代表的经典力学阶段；２０世纪中叶以后，力学的发 展被称为现代力学。 现代力学大致包含三个部分，即固体力学、流体力学和一般力学。 固体力学 主要研究可变形固体在外界因素（如载荷、温度、湿度等）作用下，其内部各个质点所产生的位 移、运动、应力、应变以及破坏等的规律。 材料的力学性质是指材料在外载荷作用下的力学行为。 最常用的力学性质包括：弹性模量， 描述应力和应变之间的比例关系；屈服强度，指材料发生塑性形变的最小应力；硬度，描述材料软 硬的程度等。 人类最早学会利用的材料性质便是力学性质，如石器时代利用的是石头的强度和硬度。 认 识和开始系统地理解材料的力学性质起始于 １９世纪中叶，这时人们利用金相显微镜对材料微观 组织进行研究。 材料的力学性能主要由其先天的才能（材料的成分）和后天的努力（材料的微观 结构）决定［２］ 。 随着科学技术的发展，人们对结构材料的力学性能要求越来越高；由于器件的小 型化与集成化，其所使用的功能材料的力学性能日显重要。 同时，结构材料与功能材料也在结 合，既要求结构材料具有一定的功能，也要求功能材料有一定的结构强度。 提高结构材料和功能 材料的力学性能的主要途径便是从微观结构即提高其微观力学性能入手。 另外，材料设计是人 们发展材料的目标，要实现材料优化设计，也必须了解材料的微观性能。 因此，材料的宏微观力 学性能是材料与力学的一个重要交叉点。 · 1 · ０畅１　材料科学与工程及其发展历史与趋势 人类的历史可以说是材料发展的历史，连续不断地开发和使用新材料构筑了今天的文明，对 于人类社会来说，材料是不可缺少的。 人类使用材料的历史，从过去到现在共经历了七个时代， 见表０畅１［３］ 。 表0畅1　人类使用材料的七个时代 序　　号 开　始　时　间 时　　代 １ 公元前１０万年 石器时代 ２ 公元前３０００年 青铜器时代