從材料力學(xué)與材料性能學(xué)的內(nèi)涵看改稱力學(xué)性能的問(wèn)題

趙中平　周薔

摘 要：材料力學(xué)與材料性能學(xué)本無(wú)從屬關(guān)系，但材料機(jī)械性能改稱材料力學(xué)性能后，自然成了材料力學(xué)的一部分，同時(shí)又引起另一種相反的誤解。這種關(guān)系相互混淆及其因果值得研討。分析可知，仍定名“材料機(jī)械性能”有利于澄清這種概念性問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué);材料性能學(xué);屬種關(guān)系;材料力學(xué)實(shí)驗(yàn);材料機(jī)械試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：N04;H059;TH文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2019.04.009

The Problem of Renamed to “l(fā)ixue xingneng” is Discussed from the Connotation of Material Mechanics and Material Properties//ZHAO Zhongping，ZHOU Qiang

Abstract： There is no hierarchical hyponymy between mechanics of materials and material properties. But when material “jixie xingneng” are changed to material “l(fā)ixue xingneng”， they naturally become a part of mechanics of materials. At the same time， it caused another kind of opposite misunderstanding. This confounding of the relations and their cause and effect are worth studying. Our analysis shows that the still named “jixie xingneng” can clarify this conceptual problem.

Keywords： mechanics of materials; mechanical properties; genus-species relationship; experiments of mechanics of material; mechanical testing of material

術(shù)語(yǔ)的語(yǔ)義范圍必須準(zhǔn)確，與相似的概念相區(qū)別。材料術(shù)語(yǔ)mechanical properties早年定名“機(jī)械性能”，改稱“材料力學(xué)性能”后逐漸暴露出不少問(wèn)題，最近又發(fā)現(xiàn)它與材料力學(xué)歸屬的矛盾，出現(xiàn)另一個(gè)概念性問(wèn)題。

材料力學(xué)是固體力學(xué)的分支學(xué)科，與材料科學(xué)或材料性能學(xué)沒(méi)有從屬關(guān)系。當(dāng)材料術(shù)語(yǔ)mechanical properties定名“機(jī)械性能”時(shí)，以及即使剛開始有人改稱“力學(xué)性能”時(shí)，這個(gè)概念也很清晰。如1990年出版的《材料力學(xué)》[1]中“材料性能”只是全書九章中第一章基本概念（共9節(jié)）中的一小節(jié)。但改稱“材料力學(xué)性能”后自然會(huì)引起誤解，認(rèn)為它屬于材料力學(xué)，郭戰(zhàn)勝老師[2]就闡述，“從材料力學(xué)名字本身就可知其研究?jī)?nèi)容分屬兩個(gè)學(xué)科。第一個(gè)是固體力學(xué)，…統(tǒng)稱為應(yīng)力分析。第二個(gè)是材料科學(xué)中材料力學(xué)行為，即研究材料…的宏觀力學(xué)性能和失效行為”，持有同樣觀點(diǎn)的還有范欽珊[3]、倪樵[4]等老師，明確認(rèn)為材料力學(xué)的內(nèi)涵包含材料性能學(xué)，并將材料力學(xué)性能試驗(yàn)歸入材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)。在這種理念指導(dǎo)下，材料力學(xué)課程都將材料性能的內(nèi)容從原只有一小節(jié)擴(kuò)大到單獨(dú)成章，以示包含“力學(xué)性能”，但實(shí)際上仍是簡(jiǎn)要介紹，談不上專業(yè)課程。

而另一些學(xué)者正好相反，認(rèn)為材料力學(xué)屬于材料力學(xué)性能學(xué)科，如《材料力學(xué)性能》[5]闡述：“材料力學(xué)所研究的內(nèi)容僅限于均勻、連續(xù)、各向同性材料的彈性力學(xué)行為，不涉及或很少涉及微觀機(jī)理、塑性變形和斷裂行為，…可以說(shuō)材料力學(xué)是材料力學(xué)行為（或性能）學(xué)科的分支和基礎(chǔ)。”

這兩種理念都認(rèn)為材料力學(xué)和材料性能學(xué)存在屬種關(guān)系，而屬種概念正好相反。此外還有學(xué)者認(rèn)為材料力學(xué)是固體力學(xué)與工程材料學(xué)的邊緣學(xué)科。這些是概念上的混淆，理由如下。

1. 英文materials可意指原材料，又可是器材或部件。材料力學(xué)的“材料”，實(shí)際指裝配成機(jī)械（各種裝置、工程結(jié)構(gòu)）的構(gòu)件等，因此稱構(gòu)件力學(xué)更確切。而材料性能學(xué)的“材料”是制造構(gòu)件或機(jī)件的物質(zhì)，它偏重于內(nèi)部化學(xué)組成、生產(chǎn)工藝和組織。因此雖然研究對(duì)象都是“材料”，實(shí)際截然不同，這決定了該兩學(xué)科并不存在屬種關(guān)系，材料力學(xué)也不是邊緣科學(xué)。

2.材料力學(xué)是將機(jī)械（裝置）中的構(gòu)件簡(jiǎn)化為桿件，研究其應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒孛嫘螤罴俺叽?，為設(shè)計(jì)出既安全又經(jīng)濟(jì)的構(gòu)件提供理論依據(jù)和計(jì)算方法。它僅與選材有關(guān)，但實(shí)際工程中對(duì)重要構(gòu)件的選材要由材料工作者決定和簽字。而工程材料學(xué)是研究材料成分及其合成、組織結(jié)構(gòu)、工藝、性能與用途之間有關(guān)知識(shí)，以提高原材料的綜合性能。材料力學(xué)與材料mechanical properties中的許多性能：工藝性能（壓扁、彎曲和擴(kuò)口等性能）、伸長(zhǎng)率和沖擊韌性等都沒(méi)有直接關(guān)系，其應(yīng)力分析也與規(guī)定應(yīng)力狀態(tài)下的材料強(qiáng)度性能不一樣?？芍@兩個(gè)學(xué)科在研究對(duì)象、目的任務(wù)、假設(shè)條件、試驗(yàn)設(shè)備和方法以及結(jié)果上都不同，是性質(zhì)不同的兩種學(xué)科，基本互不包容，不是屬種關(guān)系。

3. 材料mechanical properties的歸屬早已明確。根據(jù)“術(shù)語(yǔ)在線”（http：//www. termonline.cn）公布的名詞來(lái)看，即使將它稱為“力學(xué)性能”，也只適用于冶金學(xué)、材料科學(xué)、機(jī)械工程學(xué)科，不屬于力學(xué)（也不屬于材料力學(xué)）。力學(xué)的性能不屬力學(xué)豈不矛盾。在工程上，通常上述三個(gè)行業(yè)的關(guān)系是，冶金行業(yè)根據(jù)機(jī)械（定義：用力學(xué)原理組成的各種裝置，如火箭、核容器，廣義上包括橋梁等[6]）構(gòu)件的要求生產(chǎn)材料，供機(jī)械行業(yè)使用，材料的性能指標(biāo)來(lái)自機(jī)械構(gòu)件的服役和工藝制作要求，因此稱為“機(jī)械性能”更合適。自改稱“材料力學(xué)性能”后產(chǎn)生許多問(wèn)題和矛盾[7-10]，現(xiàn)在又出現(xiàn)了上述兩種學(xué)科內(nèi)涵和歸屬上的誤解和混淆。

4. 在文字邏輯上，如稱“材料力學(xué)性能”則當(dāng)然屬于材料力學(xué)，就像平行四邊形屬于四邊形。但材料性能學(xué)并不屬于材料力學(xué)，就像三角形不屬于四邊形，這是基本概念。上已述它們是性質(zhì)不同的兩種學(xué)科，術(shù)語(yǔ)mechanical properties of materials也不是properties of mechanics of materials，因此不應(yīng)稱為“材料力學(xué)”的性能，宜稱“材料機(jī)械性能”。力學(xué)是總稱，它由各下位力學(xué)學(xué)科組成。材料性能學(xué)中最重要的理論基礎(chǔ)是靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)（并不是材料力學(xué)），但并無(wú)靜力學(xué)性能或動(dòng)力學(xué)性能，即力學(xué)通常不以性能為表征。

5.行為與性能。許多學(xué)者將“力學(xué)性能”定義為“力學(xué)行為”[11-14]，但行為是各種各樣外部表現(xiàn)，具有普遍性和隨意性，不等于性能。性能具有專屬性和指標(biāo)性。如列車開得慢或快、裝得多或少都是行為，其經(jīng)濟(jì)速度、最高速度和滿載量才能稱火車性能。以材料拉伸試驗(yàn)為例，不同退火、正火和各種調(diào)質(zhì)規(guī)范可得到許許多多強(qiáng)度和塑性數(shù)據(jù)，都只是拉伸行為，只有針對(duì)有關(guān)構(gòu)件的使用條件定量化、指標(biāo)化才是術(shù)語(yǔ)意義上的材料的性能?！禡echanical properties中文名的演變過(guò)程及其定義》[7]《定名機(jī)械性能依據(jù)和改稱力學(xué)性能的問(wèn)題》[8]和《Mechanical properties的正名是機(jī)械性能》[9]論證了mechanical properties正名應(yīng)稱“機(jī)械性能”的根據(jù)。

同時(shí)對(duì)于以mechanical表述的力學(xué)行為，其表征絕大多數(shù)規(guī)范定名冠以“機(jī)械”，不是“力學(xué)”。如用力做的功稱“機(jī)械功”，用力學(xué)解釋自然的觀點(diǎn)稱機(jī)械自然觀，力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)定名機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這都表明有關(guān)術(shù)語(yǔ)中 “機(jī)械”作為修飾詞都具有力學(xué)的意思[9，15]。同樣在材料試驗(yàn)研究中所呈現(xiàn)的力學(xué)行為的要素也都冠以“機(jī)械”：與試樣上施加的力有關(guān)的應(yīng)變稱“機(jī)械應(yīng)變”，與外力有關(guān)的其他行為分別定名為：“機(jī)械應(yīng)力”“機(jī)械強(qiáng)度”“機(jī)械力”等，都不冠以“力學(xué)”。同樣，材料在外力作用下顯示的與應(yīng)力—應(yīng)變有關(guān)的性能也應(yīng)定名“機(jī)械性能”，mechanical testing應(yīng)定名機(jī)械試驗(yàn)，這是一脈相承的完整體系。

6.材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)與材料性能試驗(yàn)。由于GB/T10623等將mechanical testing由“機(jī)械試驗(yàn)”被改譯為“材料力學(xué)性能試驗(yàn)”后，現(xiàn)在幾乎所有的“材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)”的重要內(nèi)容都包括材料力學(xué)性能試驗(yàn)[16-18]，這看來(lái)名副其實(shí)，但據(jù)上所述，這種觀點(diǎn)存在問(wèn)題。當(dāng)然首先是兩者所指的“材料”不同。其次材料力學(xué)中的理論和公式，大多是在一定的假設(shè)和簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的，為驗(yàn)證這些理論和公式的準(zhǔn)確性和應(yīng)用范圍需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如矩形截面梁彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)、桁架橋的受力分析及實(shí)驗(yàn)、三腳架結(jié)構(gòu)應(yīng)力與內(nèi)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)等，這些是真正具有力學(xué)性質(zhì)的“材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)”，其英文名為experiments of mechanics of material。而材料性能試驗(yàn)只是相同地大量地重復(fù)測(cè)定試樣的數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)只用簡(jiǎn)單的算術(shù)公式，常用于檢驗(yàn)材料的質(zhì)量，以及求證材料成分配比或工藝規(guī)范的正確性。力學(xué)實(shí)驗(yàn)與性能試驗(yàn)兩者的性質(zhì)、方法、所用設(shè)備儀器和得到的結(jié)果都不相同。同時(shí)英文名也不一樣，材料性能試驗(yàn)是mechanical testing of materials?！禡echanical properties的正名是機(jī)械性能》[9]和《雜議由“機(jī)械”組成的科技術(shù)語(yǔ)的定名》[15]論證了它稱為“機(jī)械試驗(yàn)”為宜，在此不贅述，僅舉一例。美國(guó)材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A179（A178，A192，214等）中mechanical tests required為：壓扁試驗(yàn)、擴(kuò)口試驗(yàn)、卷邊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和水壓試驗(yàn)，都是機(jī)件的生產(chǎn)工藝需要的試驗(yàn)，大多試驗(yàn)結(jié)果是肉眼看看有無(wú)產(chǎn)生裂紋，不是力學(xué)參數(shù)，這些試驗(yàn)得到的工藝性能和質(zhì)量要求從不認(rèn)作力學(xué)性能，顯然有別于“力學(xué)試驗(yàn)”。

綜上所述，材料力學(xué)與材料性能學(xué)所指的“材料”概念截然不同，兩者在內(nèi)涵和外延上互不包含，沒(méi)有屬種關(guān)系。將材料mechanical properties改稱“材料力學(xué)性能”后自然和必然會(huì)被誤認(rèn)為隸屬于材料力學(xué)，產(chǎn)生許多誤解和矛盾，還其材料機(jī)械性能的本質(zhì)有利于澄清概念。

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