西安交通大学材料疲劳与断裂课程教学大纲一、课程基本信息材料疲劳与断裂课程名称FractureandFatigueof EngineeringMaterialsMATL703802课程编号241.5总学时课程学分理论：24实验：上机：课外：学时分配（课外学时不计入总学时）口公共课程口通识课程课程类型口学科门类基础课口专业大类基础课口专业核心课■专业选修课口集中实践1-1 □1-2 □2-1 □2-2 □3-1 □3-2开课学期4-1□4-2□5-1□5-2先修课程材料科学基础，材料工程基础使用教材：邓增杰，周敬恩.工程材料的断裂与疲劳.北教材、参京：机械工业出版社，1995年参考教材：[1]S.Suresh著，王中光等译．材料的疲劳，北考书及其京：国防工业出版社，1999年他资料[2]周惠久，黄明志金属材料强度学．北京：科学出版社，1989二、课程目标及学生应达到的能力2.1课程的基本要求本课程以材料疲劳和断裂的过程为核心，为学生讲述微裂纹萌生、扩展和失稳的相关理论和预防措施。主要培养学生将弹/塑性力学和断裂力学等基础理论与工程材料的失效相结合，能够分析实际材料零件在服役过程中的损伤行为及其影响因素，提出材料成分和微观组
西安交通大学材料疲劳与断裂课程教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 材料疲劳与断裂 Fracture and Fatigue of Engineering Materials 课程编号 MATL703802 课程学分 1.5 总学时 24 学时分配 理论: 24 实验: 上机: 课外: （课外学时不计入总学时） 课程类型 公共课程 通识课程 学科门类基础课 专业大类基础课 专业核心课 专业选修课 集中实践 开课学期 1-1 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 先修课程 材料科学基础，材料工程基础 教材、参 考书及其 他资料 使用教材：邓增杰，周敬恩.工程材料的断裂与疲劳.北 京：机械工业出版社, 1995 年 参考教材：[1] S.Suresh 著，王中光等译. 材料的疲劳. 北 京: 国防工业出版社, 1999 年 [2] 周惠久，黄明志. 金属材料强度学. 北京：科学出版 社，1989 二、课程目标及学生应达到的能力 2.1 课程的基本要求 本课程以材料疲劳和断裂的过程为核心，为学生讲述微裂纹萌生、 扩展和失稳的相关理论和预防措施。主要培养学生将弹/塑性力学和 断裂力学等基础理论与工程材料的失效相结合，能够分析实际材料/ 零件在服役过程中的损伤行为及其影响因素，提出材料成分和微观组
织优化原则。整体上，该课程以工程实际问题为出发点，着重介绍材料断裂与疲劳破坏的失效机理、测定原理与预防措施，培养学生分析、解决实际问题的能力。本课程不但讲授弹/塑性力学和断裂力学，还讲授材料的组织-形变-性能之间的关联，以及材料成分-工艺-组织之间的联系。让学生体会和理解材料科学基础与材料力学之间的有机结合，锻炼学生养成具体问题具体分析的思维方式。要求学生撰写一份自学报告，培养学生自主学习能力。进一步地，本课程将立足金属材料强度国家重点实验室研究特色的传承，拓展材料研究领域（从金属材料到陶瓷材料、高分子材料、复合材料）和尺度范畴（从宏观尺度到微纳尺度），结合学科发展前沿，强化知识更新教学。要求学生掌握断裂与疲劳破坏的基本概念、破坏机理、基本规律等知识，熟悉材料断裂、疲劳控制设计的基本原理与方法；了解学科发展前沿，掌握研究断裂、疲劳破坏基本规律的一般方法。要求学生学会分析材料或构件在含有裂纹或缺陷的情况下的安全性，从而为选材、加工工艺、设计及安全性评定等提供理论依据和手段。2.2课程的目标以及学术应该达到的能力1掌握材料断裂与疲劳破坏的基本概念、破坏机理、基本规律等专业知识2复杂工程问题分析能力能够运用材料的强化理论对材料研发与应用中的实际工程问题进行分析，能够基于强化原理提出满足特定需求的金属材料组织结构
织优化原则。整体上，该课程以工程实际问题为出发点，着重介绍材 料断裂与疲劳破坏的失效机理、测定原理与预防措施，培养学生分析、 解决实际问题的能力。 本课程不但讲授弹/塑性力学和断裂力学，还讲授材料的组织-形 变-性能之间的关联，以及材料成分-工艺-组织之间的联系。让学生体 会和理解材料科学基础与材料力学之间的有机结合，锻炼学生养成具 体问题具体分析的思维方式。要求学生撰写一份自学报告，培养学生 自主学习能力。进一步地，本课程将立足金属材料强度国家重点实验 室研究特色的传承，拓展材料研究领域(从金属材料到陶瓷材料、高 分子材料、复合材料)和尺度范畴(从宏观尺度到微纳尺度)，结合学科 发展前沿，强化知识更新教学。 要求学生掌握断裂与疲劳破坏的基本概念、破坏机理、基本规律 等知识，熟悉材料断裂、疲劳控制设计的基本原理与方法；了解学科 发展前沿，掌握研究断裂、疲劳破坏基本规律的一般方法。要求学生 学会分析材料或构件在含有裂纹或缺陷的情况下的安全性，从而为选 材、加工工艺、设计及安全性评定等提供理论依据和手段。 2.2 课程的目标以及学术应该达到的能力 1 掌握材料断裂与疲劳破坏的基本概念、破坏机理、基本规律等专业 知识 2 复杂工程问题分析能力 能够运用材料的强化理论对材料研发与应用中的实际工程问题 进行分析，能够基于强化原理提出满足特定需求的金属材料组织结构
并能考虑社会、健康、安全、法律、文化和环境等因素。支撑毕业要求指标点6-2：基于材料工程的实际应用场景进行合理分析，正确评价材料工程实践过程和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，及制约因素对方案实施的影响，并理解应承担的责任。3材料设计与创新能力根据金属材料服役条件，选择合适的材料体系，运用强化原理优化控制材料的微观组织结构，熟悉材料开发、生产与应用、回收全过程中的社会、健康、安全、法律和文化问题，自觉遵守材料领域的工程职业道德和规范，履行责任。支撑毕业要求指标点7-2：能够正确评价材料生产和便用周期对环境、社会可持续发展的影响，在设计解决方案的过程中能正确处理二者的关系。课程目标与专业毕业要求的关联关系业要求782356910124I11课程目标课程目M标1课程目M标2注：毕业要求中A、B、C、D、E、F、G、..对应毕业要求中各项具体内容。三、教学内容简介序号知识点参考学时章节名称1.绪论材料的位错、李生变121.1材料的变形形；强度、塑性和断裂
并能考虑社会、健康、安全、法律、文化和环境等因素。 支撑毕业要求指标点6-2：基于材料工程的实际应用场景进行合 理分析，正确评价材料工程实践过程和复杂工程问题解决方案对社会、 健康、安全、法律以及文化的影响，及制约因素对方案实施的影响， 并理解应承担的责任。 3 材料设计与创新能力 根据金属材料服役条件，选择合适的材料体系，运用强化原理优 化控制材料的微观组织结构，熟悉材料开发、生产与应用、回收全过 程中的社会、健康、安全、法律和文化问题，自觉遵守材料领域的工 程职业道德和规范，履行责任。 支撑毕业要求指标点 7-2：能够正确评价材料生产和使用周期对 环境、社会可持续发展的影响，在设计解决方案的过程中能正确处理 二者的关系。 课程目标与专业毕业要求的关联关系 毕业要求 课程目标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课 程 目 标 1 M 课 程 目 标 2 M 注：毕业要求中 A、B、C、D、E、F、G、.对应毕业要求中各项具体内容。 三、教学内容简介 序号 章节名称 知识点 参考学时 1 1. 绪论 1.1 材料的变形 材料的位错、孪生变 形；强度、塑性和断裂 2
1.2材料力学性能基本参量韧性；微观组织参量；1.3材料组织-性能关系强塑匹配2.工程金属材料的断裂非均质微观组织；应力2.1空洞的萌生/应变集中：空洞萌生临282.2空洞的扩展界应力/应变；断裂力2.3空洞的聚合失稳学；Kic,J积分3.工程金属材料的疲劳循环加载；循环硬化/3.1疲劳裂纹的萌生软化；累积损伤；位错343.2疲劳裂纹的扩展结构；疲劳寿命；门槛3.3疲劳断裂值；有效应力强度因子4.陶瓷/高分子的疲劳与断裂4.1陶瓷材料的组织特性脆性断裂；粘弹性变形；银纹；气孔率；尺4.2陶瓷材料的疲劳与断裂444.3高分子材料的组织特性度效应；各向同性；各4.4高分子材料的疲劳与断裂向异性4.5复合材料的疲劳与断裂5.纳米金属材料的疲劳与断裂超细晶/纳米晶；大角晶5.1纳米金属材料组织特性界；位错存储；晶界54灭；强度尺寸效应；晶5.2纳米金属材料的断裂5.3纳米金属材料的疲劳内/晶界；晶体缺陷界面/表面约束；位错匮6.低维材料的疲劳与断裂乏理论；力学性能表征6.1金属薄膜材料的组织特性626.2薄膜材料的疲劳与断裂方法；内在/外在尺寸效6.3金属微柱材料的断裂应；应变突跳；位错雪崩行为6.4二维材料的断裂四、教学安排详表
1.2 材料力学性能基本参量 1.3 材料组织-性能关系 韧性；微观组织参量； 强塑匹配 2 2. 工程金属材料的断裂 2.1 空洞的萌生 2.2 空洞的扩展 2.3 空洞的聚合失稳 非均质微观组织；应力 /应变集中；空洞萌生临 界应力/应变；断裂力 学；K1C; J 积分 8 3 3. 工程金属材料的疲劳 3.1 疲劳裂纹的萌生 3.2 疲劳裂纹的扩展 3.3 疲劳断裂 循环加载；循环硬化/ 软化；累积损伤；位错 结构；疲劳寿命；门槛 值；有效应力强度因子 4 4 4. 陶瓷/高分子的疲劳与断裂 4.1 陶瓷材料的组织特性 4.2 陶瓷材料的疲劳与断裂 4.3 高分子材料的组织特性 4.4 高分子材料的疲劳与断裂 4.5 复合材料的疲劳与断裂 脆性断裂；粘弹性变 形；银纹；气孔率；尺 度效应；各向同性；各 向异性 4 5 5. 纳米金属材料的疲劳与断裂 5.1 纳米金属材料组织特性 5.2 纳米金属材料的断裂 5.3 纳米金属材料的疲劳 超细晶/纳米晶；大角晶 界；位错存储；晶界湮 灭；强度尺寸效应；晶 内/晶界；晶体缺陷 4 6 6. 低维材料的疲劳与断裂 6.1 金属薄膜材料的组织特性 6.2 薄膜材料的疲劳与断裂 6.3 金属微柱材料的断裂 6.4 二维材料的断裂 界面/表面约束；位错匮 乏理论；力学性能表征 方法；内在/外在尺寸效 应；应变突跳；位错雪 崩行为 2 四、教学安排详表
教学方式章节学时教学要求教学内容对课程目标（授课、实验、分配顺序（知识要求及能力要求）的支撑关系上机、讨论）主要讲述材料主要的变形载体：位错和李掌握材料变形行为的特点；掌握材料各晶：材料力学性能的主要指标：强度、塑性力学性能指标的意义及其与微观组织第一章授课课程目标1和断裂韧性：以及材料力学性能之间强一之间的关联：了解力学性能倒置关系的内在机理塑以及强一韧倒置关系。工程金属材料准静态载荷下的断裂过程，包掌握空洞萌生的临界应力/应变判据：了括空洞的萌生、扩展和聚合：空洞萌生的位解材料微观组织对裂纹萌生、扩展和聚课程目标1投授课第二章8置及其临界状态：空洞聚合成裂纹后失稳的合的影响；掌握断裂力学在材料服役断课程目标2临界判据。裂中的应用。工程金属材料动态循环载荷下的疲劳损伤掌握动态循环载荷下位错亚结构形成课程目标2与断裂；疲劳裂纹的萌生、扩散与失稳：疲的内在机理：疲劳裂纹形成的机制：疲第三章授课劳位错亚结构的形成：基于疲劳抗力设计的劳裂纹的扩展特性：疲劳裂纹的失稳判课程目标3微观组织优化原则据：了解微观组织对疲劳抗力的影响陶瓷材料和高分子材料的微观组织特性及掌握陶瓷材料和高分子材料的疲劳和其对断裂和疲劳行为的影响：复合材料的微断裂特性：了解微观组织对疲劳和断裂课程目标1第四章授课、讨论观组织特性及其断裂/疲劳行为；与金属材行为的影响：掌握脆性材料的断裂力学课程目标2料断裂/疲劳之间的差异应用；了解粘弹性力学的分析应用掌握纳米金属材料的变形与断裂特性：课程目标2纳米金属材料的微观组织特征及其对断裂第五章授课、讨论了解纳米材料在服役下的微观组织演和疲劳的影响：与传统粗晶金属材料的异同课程目标3变规律；掌握纳米材料的强韧化机理金属多层膜、微柱、二维材料等低维材料的掌握低维材料的微观组织特性，了解其课程目标2第六章2授课、自学微观组织特性及其对疲劳和新裂的影响对疲劳与断裂行为的影响课程目标3
章节 顺序 教学内容 学时 分配 教学方式 （授课、实验、 上机、讨论） 教学要求 （知识要求及能力要求） 对课程目标 的支撑关系 第一章 主要讲述材料主要的变形载体：位错和孪 晶；材料力学性能的主要指标：强度、塑性 和断裂韧性； 以及材料力学性能之间强- 塑以及强-韧倒置关系。 2 授课 掌握材料变形行为的特点；掌握材料各 力学性能指标的意义及其与微观组织 之间的关联；了解力学性能倒置关系的 内在机理 课程目标 1 第二章 工程金属材料准静态载荷下的断裂过程，包 括空洞的萌生、扩展和聚合；空洞萌生的位 置及其临界状态；空洞聚合成裂纹后失稳的 临界判据。 8 授课 掌握空洞萌生的临界应力/应变判据；了 解材料微观组织对裂纹萌生、扩展和聚 合的影响；掌握断裂力学在材料服役断 裂中的应用。 课程目标 1 课程目标 2 第三章 工程金属材料动态循环载荷下的疲劳损伤 与断裂；疲劳裂纹的萌生、扩散与失稳；疲 劳位错亚结构的形成；基于疲劳抗力设计的 微观组织优化原则 4 授课 掌握动态循环载荷下位错亚结构形成 的内在机理；疲劳裂纹形成的机制；疲 劳裂纹的扩展特性；疲劳裂纹的失稳判 据；了解微观组织对疲劳抗力的影响 课程目标 2 课程目标 3 第四章 陶瓷材料和高分子材料的微观组织特性及 其对断裂和疲劳行为的影响；复合材料的微 观组织特性及其断裂/疲劳行为；与金属材 料断裂/疲劳之间的差异 4 授课、讨论 掌握陶瓷材料和高分子材料的疲劳和 断裂特性；了解微观组织对疲劳和断裂 行为的影响；掌握脆性材料的断裂力学 应用；了解粘弹性力学的分析应用 课程目标 1 课程目标 2 第五章 纳米金属材料的微观组织特征及其对断裂 和疲劳的影响；与传统粗晶金属材料的异同 4 授课、讨论 掌握纳米金属材料的变形与断裂特性； 了解纳米材料在服役下的微观组织演 变规律；掌握纳米材料的强韧化机理 课程目标 2 课程目标 3 第六章 金属多层膜、微柱、二维材料等低维材料的 微观组织特性及其对疲劳和断裂的影响 2 授课、自学 掌握低维材料的微观组织特性，了解其 对疲劳与断裂行为的影响 课程目标 2 课程目标 3