材料力學是固體力學的一個分支，它是研究結構構件和機械零件承載能力的基礎學科。其基本任務是：將工程結構和機械中的簡單構件簡化為一維杆件，計算杆中的應力、變形並研究杆的穩定性，以保證結構能承受預定的載荷；選擇適當的材料、截面形狀和尺寸，以便設計出既安全又經濟的結構構件和機械零件。
在結構承受載荷或機械傳遞運動時，為保證各構件或機械零件能正常工作，構件和零件必須符合如下要求：不發生斷裂，即具有足夠的強度；彈性變形應不超出允許的範圍，即具有足夠的剛度；在原有形狀下的平衡應是穩定平衡，也就是構件不會失去穩定性。
對強度、剛度和穩定性這三方面的要求，有時統稱為“強度要求”，而材料力學在這三方面對構件所進行的計算和試驗，統稱為強度計算和強度試驗。
為了確保設計安全，通常要求多用材料和用高品質材料；而為了使設計符合經濟原則，又要求少用材料和用廉價材料。材料力學的目的之一就在於為合理地解決這一矛盾，為實現既安全又經濟的設計提供理論依據和計算方法。
材料力學的發展簡史
在古代建築中，儘管還沒有嚴格的科學理論，但人們從長期生產實踐中，對構件的承力情況已有一些定性或較粗淺的定量認識。例如，從圓木中截取矩形截面的木粱，當高寬比為3：2時最為經濟，這大體上符合現代材料力學的基本原理。
隨著工業的發展，在車輛、船舶、機械和大型建築工程的建造中所碰到的問題日益複雜，單憑經驗已無法解決，這樣，在對構件強度和剛度長期定量研究的基礎上，逐漸形成了材料力學。
義大利科學家伽利略為解決建造船舶和水閘所需的粱的尺寸問題，進行了一系列實驗，並於1638年首次提出粱的強度計算公式。由於當時對材料受力後會發生變形這一規律缺乏認識，他採用了剛體力學的方法進行計算，以致所得結論不完全正確。後來，英國科學家胡克在1678年發表了根據彈簧實驗觀察所得的，“力與變形成正比”這一重要物理定律(即胡克定律)。奠定了材料力學的基礎。從18世紀起，材料力學開始沿著科學理論的方向向前發展。
高速車輛、飛機、大型機械以及鐵路橋梁等的出現，使減輕構件的自重成為亟待解決的問題。隨著冶金工業的發展，新的高強度金屬(如鋼和鋁合金等)逐漸成為主要的工程材料，從而使薄型和細長型構件大量被採用。
這類構件的失穩破壞屢有發生，從而引起工程界的注意，從而成為構件剛度和穩定性理論發展的推動力。由於超高強度材料和焊接結構的廣泛應用，低應力脆斷和疲勞事故又成為新的研究課題，促使這方面研究迅速發展。
材料力學的研究內容
材料力學的研究通常包括兩大部分：一部分是材料的力學性能(或稱機械性能)的研究，材料的力學性能參量不僅可用於材料力學的計算，而且也是固體力學其他分支的計算中必不可少的依據；另一部分是對杆件進行力學分析。
杆件按受力和變形可分為拉杆、壓杆受彎曲(有時還應考慮剪切)的粱和受扭轉的軸等幾大類。杆中的內力有軸力、剪力、彎矩和扭矩。杆的變形可分為伸長、縮短、撓曲和扭轉。在處理具體的杆件問題時，根據材料性質和變形情況的不同，可將問題分為線彈性問題、幾何非線性問題、物理非線性問題三類。
線彈性問題是指在杆變形很小，而且材料服從胡克定律的前提下，對杆列出的所有方程都是線性方程，相應的問題就稱為線性問題。對這類問題可使用疊加原理，即為求杆件在多種外力共同作用下的變形(或內力)，可先分別求出各外力單獨作用下杆件的變形(或內力)，然後將這些變形(或內力)疊加，從而得到最終結果。
幾何非線性問題是指杆件變形較大，就不能在原有幾何形狀的基礎上分析力的平衡，而應在變形後的幾何形狀的基礎上進行分析。這樣，力和變形之間就會出現非線性關係，這類問題稱為幾何非線性問題。
物理非線性問題是指材料內的變形和內力之間(如應變和應力之間)不滿足線性關係，即材料不服從胡克定律。解決這類問題可利用卡氏第一定理、克羅蒂—恩蓋塞定理或採用單位載荷法等。
在許多工程結構中，杆件往往在複雜載荷的作用或複雜環境的影響下發生破壞。例如，杆件在交變載荷作用下發生疲勞破壞，在高溫恒載條件下因蠕變而破壞，或受高速動載荷的衝擊而破壞等。這些破壞是使機械和工程結構喪失工作能力的主要原因。所以，材料力學還研究材料的疲勞性能、蠕變性能和衝擊性能。
材料力學的研究方法
因為在現實世界中，實際構件一般比較複雜，所以對它的研究一般分兩步進行：先作簡化假設，再進行力學分析。
在材料力學研究中，一般可把材料抽象為可變形固體。對可變形固體，可引入兩個基本假設：連續性假設，即認為材料是密實的，在其整個體積內毫無空隙；均勻性假設，即認為從材料中取出的任何一個部分，不論體積如何，在力學性能上都是完全一樣的。
此外，通常還要作下列幾個工作假設：小變形假設，即假定物體變形很小，從而可認為物體上各個外力和內力的相對位置在變形前後不變；線彈性假設，即在小變形和材料中應力不超過比例極限兩個前提下，可認為物體上的力和位移(或應變)始終成正比；各向同性假設，即認為材料在各個方向的力學性能都相同；平截面假設，認為杆的橫截面在杆件受拉伸、壓縮或純彎曲而變形以及圓杆橫截面在受扭轉而變形的過程中，保持為剛性平面，並與變形後的杆件軸線垂直。
對構件進行力學分析，首先應求得構件在外力作用下各截面上的內力。其次，應求得構件中的應力和構件的變形。對此，單靠靜力學的方法就不夠了，還需要研究構件在變形後的幾何關係，以及材料在外力作用下變形和力之間的物理關係。根據幾何關係、物理關係和平衡關係，可以解得物體內的應力、應變和位移。把它們和材料的允許應力、允許變形作比較，即可判斷此物體的強度是否符合預定要求。若材料處於多向受力狀態，則應根據強度理論來判斷強度。
同彈性力學和塑性力學相比，材料力學的研究方法顯得粗糙。用材料力學方法計算構件的強度，有時會由於構件的幾何外形或作用在構件上的載荷較複雜而得不到精確的解，但由於方法比較簡便，又能提供足夠精確的估算值作為工程結構初步設計的參考，所以常為工程技術人員所採用。
複合材料力學是固體力學的一個新興分支，它研究由兩種或多種不同性能的材料，在宏觀尺度上組成的多相固體材料，即複合材料的力學問題。複合材料具有明顯的非均勻性和各向異性性質，這是複合材料力學的重要特點。
複合材料由增強物和基體組成，增強物起著承受載荷的主要作用，其幾何形式有長纖維、短纖維和顆粒狀物等多種；基體起著粘結、支持、保護增強物和傳遞應力的作用，常採用橡膠、石墨、樹脂、金屬和陶瓷等。
近代複合材料最重要的有兩類：一類是纖維增強複合材料，主要是長纖維鋪層複合材料，如玻璃鋼；另一類是粒子增強複合材料，如建築工程中廣泛應用的混凝上。纖維增強複合材料是一種高功能材料，它在力學性能、物理性能和化學性能等方面都明顯優於單一材料。
發展纖維增強複合材料是當前國際上極為重視的科學技術問題。現今在軍用方面，飛機、火箭、導彈、人造衛星、艦艇、坦克、常規武器裝備等，都已採用纖維增強複合材料；在民用方面，運輸工具、建築結構、機器和儀錶部件、化工管道和容器、電子和核能工程結構，以至人體工程、醫療器械和體育用品等也逐漸開始使用這種複合材料。
複合材料力學的發展簡史
在自然界中，存在著大量的複合材料，如竹子、木材、動物的肌肉和骨骼等。從力學的觀點來看，天然複合材料結構往往是很理想的結構，它們為發展人工纖維增強複合材料提供了仿生學依據。
人類早已創制了有力學概念的複合材料。例如，古代中國人和猶太人用稻草或麥秸增強蓋房用的泥磚；兩千年前，中國製造了防腐蝕用的生漆襯布；由薄綢和漆粘結製成的中國漆器，也是近代纖維增強複合材料的雛形，它體現了重量輕、強度和剛度大的力學優點。
以混凝土為標誌的近代複合材料是在一百多年前出現的。後來，原有的混凝土結構不能滿足高層建築的強度要求，建築者轉而使用鋼筋混凝土結構，其中的鋼筋提高了混凝土的抗拉強度，從而解決了建築方面的大量問題。
20世紀初，為滿足軍用方面對材料力學性能的要求，人們開始研製新材料，並在20世紀40年代研製成功玻璃纖維增強複合材料(即玻璃鋼)。它的出現豐富了複合材料的力學內容。50年代又出現了強度更高的碳纖維、硼纖維複合材料，複合材料的力學研究工作由此得到很大發展，並逐步形成了一門新興的力學學科——複合材料力學。
為了克服碳纖維、硼纖維不耐高溫和抗剪切能力差等缺點，近二十年來，人們又研製出金屬基和陶瓷基的複合材料。華人在複合材料的研究中做出了很多貢獻，但中國在複合材料力學研究方面的起步和水準晚于歐美十到十五年。
進入20世紀60年代後，複合材料力學發展的步伐加快了。1964年羅森提出了確定單向纖維增強複合材料縱向壓縮強度的方法。1966年惠特尼和賴利提出了確定複合材料彈性常數的獨立模型法。1968年，經蔡為侖和希爾的多年研究形成了蔡-希爾破壞準則；後於1971年又出現了張量形式的蔡-吳破壞準則。
1970年鐘斯研究了一般的多向層板，並得到簡單的精確解；1972年惠特尼用雙重傅裏葉級數，求解了扭轉耦合剛度對各向異性層板的撓度、屈曲載荷和振動的影響問題，用這種方法求解的位移既滿足自然邊界條件，又能很快收斂到精確解；同年，夏米斯、漢森和塞拉菲尼研究了複合材料的抗衝擊性能。另外，蔡為侖在單向層板非線性變形性能的分析方面，亞當斯在非彈性問題的細觀力學理論方面，索哈佩里在複合材料粘彈性應力分析等都做了開創性的研究工作。
近年來，混雜複合材料力學性能的研究吸引了一些學者的注意力。林毅於1972年首先發現，混雜複合材料的應力-應變曲線的直線部分所對應的最大應變，已超過混雜複合材料中具有低延伸率的纖維的破壞應變。這一不易理解的現象，於1974年又被班塞爾等所發現，後人稱之為“混雜效應”。
複合材料的特性
複合材料的比強度和比剛度較高。材料的強度除以密度稱為比強度；材料的剛度除以密度稱為比剛度。這兩個參量是衡量材料承載能力的重要指標。比強度和比剛度較高說明材料重量輕，而強度和剛度大。這是結構設計，特別是航空、航太結構設計對材料的重要要求。現代飛機、導彈和衛星等機體結構正逐漸擴大使用纖維增強複合材料的比例。
複合材料的力學性能可以設計，即可以通過選擇合適的原材料和合理的鋪層形式，使複合材料構件或複合材料結構滿足使用要求。例如，在某種鋪層形式下，材料在一方向受拉而伸長時，在垂直於受拉的方向上材料也伸長，這與常用材料的性能完全不同。又如利用複合材料的耦合效應，在平板模上鋪層製作層板，加溫固化後，板就自動成為所需要的曲板或殼體。
複合材料的抗疲勞性能良好。一般金屬的疲勞強度為抗拉強度的40～50%，而某些複合材料可高達70～80%。複合材料的疲勞斷裂是從基體開始，逐漸擴展到纖維和基體的介面上，沒有突發性的變化。因此，複合材料在破壞前有預兆，可以檢查和補救。纖維複合材料還具有較好的抗聲振疲勞性能。用複合材料製成的直升飛機旋翼，其疲勞壽命比用金屬的長數倍。
複合材料的減振性能良好。纖維複合材料的纖維和基體介面的阻尼較大，因此具有較好的減振性能。用同形狀和同大小的兩種粱分別作振動試驗，碳纖維複合材料粱的振動衰減時間比輕金屬粱要短得多。
複合材料通常都能耐高溫。在高溫下，用碳或硼纖維增強的金屬其強度和剛度都比原金屬的強度和剛度高很多。普通鋁合金在400℃時，彈性模量大幅度下降，強度也下降；而在同一溫度下，用碳纖維或硼纖維增強的鋁合金的強度和彈性模量基本不變。複合材料的熱導率一般都小，因而它的暫態耐超高溫性能比較好。
複合材料的安全性好。在纖維增強複合材料的基體中有成千上萬根獨立的纖維。當用這種材料製成的構件超載，並有少量纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配並傳遞到未破壞的纖維上，因此整個構件不至於在短時間內喪失承載能力。
複合材料的成型工藝簡單。纖維增強複合材料一般適合於整體成型，因而減少了零部件的數目，從而可減少設計計算工作量並有利於提高計算的準確性。另外，製作纖維增強複合材料部件的步驟是把纖維和基體粘結在一起，先用模具成型，而後加溫固化，在製作過程中基體由流體變為固體，不易在材料中造成微小裂紋，而且固化後殘餘應力很小。
複合材料力學的研究內容
同常規材料的力學理論相比，複合材料力學涉及的範圍更廣，研究的課題更多。
首先，常規材料存在的力學問題，如結構在外力作用下的強度、剛度，穩定性和振動等問題，在複合材料中依然存在，但由於複合材料有不均勻和各向異性的特點，以及由於材料幾何(各材料的形狀、分佈、含量)和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪層方向、鋪層順序)等方面可變因素的增多，上述力學問題在複合材料力學中都必須重新研究，以確定那些適用於常規材料的力學理論、方法、方程、公式等是否仍適用於複合材料，如果不適用，應怎樣修正。
其次，複合材料中還有許多常規材料中不存在的力學問題，如層間應力(層間正應力和剪應力耦合會引起複雜的斷裂和脫層現象)、邊界效應以及纖維脫膠、纖維斷裂、基體開裂等問題。
最後，複合材料的材料設計和結構設計是同時進行的，因而在複合材料的材料設計(如材料選取和組合方式的確定)、加工工藝過程(如材料鋪層、加溫固化)和結構設計過程中都存在力學問題。
當前，複合材料力學的研究工作主要集中在纖維增強複台材料多向層板殼結構的改進和應用上。這種結構是由許多不同方向的單向層材料疊合粘結而成的，因此叫作多向層材料結構。單向層材料中沿纖維的方向稱為縱向；而在單向層材料子面內垂直於纖維的方向稱為橫向。
縱向和橫向統稱為主軸方向。單向層材料是正交各向異性材料，對它的力學研究以及對它的性能參量的瞭解乃是對多向層材料以及多向層板層殼結構進行力學研究的基礎。多向層材料中各單向層材料的纖維方向一般是不同的。如何排列這些單向層材料要根據結構設汁的力學要求進行。
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