Mechanical Behavior of Materials

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出版者:John Wiley & Sons Inc
作者:Bowman, Keith
出品人:
页数:368
译者:
出版时间:2003-12
价格:1557.00 元
装帧:HRD
isbn号码:9780471241980
丛书系列:
图书标签:
  • 材料力学
  • 固体力学
  • 材料科学
  • 力学行为
  • 材料性能
  • 应力应变
  • 断裂力学
  • 材料试验
  • 结构力学
  • 工程材料
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具体描述

An understanding of mechanisms for mechanical behavior is essential to applications of new materials and new designs using established materials. Focusing on the similarities and differences in mechanical response within and between the material classes, this book provides a balanced approach between practical engineering applications and the science behind mechanical behavior of materials. Covering the three main material classes: metals, ceramics and polymers, topics covered include stress, strain, tensors, elasticity, dislocations, strengthening mechanisms, high temperature deformation, fracture, fatigue, wear and deformation processing.

Designed to provide a bridge between introductory coverage of materials science and strength of materials books and specialized treatments on elasticity, deformation and mechanical processing, this title: Successfully employs the principles of physics and mathematics to the materials science topics covered. Provides short biographical or historical background on key contributors to the field of materials science. Includes over one hundred new figures and mechanical test data that illustrate the subjects covered. Features numerous examples and more than 150 homework problems, with problems pitched at three levels.

现代材料科学与工程前沿探索 导言:物质的微观结构与宏观性能的统一 本书旨在为读者提供一个全面且深入的视角,探讨现代材料科学与工程领域中那些尚未在《Mechanical Behavior of Materials》一书中被深入阐述的前沿课题。我们将超越传统的力学响应范畴,聚焦于材料在极端环境、复杂载荷条件以及功能化应用中的新颖行为模式和设计原理。本书的核心理念在于,材料的宏观性能并非孤立存在,而是由其精细的微观结构、表面化学状态以及动态的外部环境共同决定的。 我们将重点关注以下几个关键领域:先进功能材料的界面物理化学、材料在生命周期中的演化行为、以及面向可持续发展的创新制造技术。 --- 第一部分:先进功能材料的界面与多场耦合行为 本部分着重探讨材料系统中的界面现象,这些界面往往是决定材料整体性能的关键区域,尤其是在复合材料、薄膜结构和纳米材料中。 第一章:功能梯度材料(FGMs)的本构理论与制造挑战 功能梯度材料代表了一种革命性的结构概念,其组成和微观结构沿空间连续变化,以优化特定的物理或化学梯度。本书将详细分析如何建立描述这些梯度变化的非均匀本构关系。我们将引入连续介质力学在非均匀介质中的扩展形式,重点讨论热力学驱动下的组分扩散对局部应力场的影响。 内容细述: 1. 梯度演化模型的建立: 基于扩散方程和相场理论,推导梯度演化动力学方程。 2. 界面应力集中分析: 针对梯度突变区(如陶瓷/金属界面),采用数值方法(如有限元法)模拟应力奇异性的缓解机制。 3. 梯度材料的增材制造: 探讨激光熔覆、定向凝固等技术在精确控制梯度分布方面的最新进展及其对宏观热机械性能的影响。 第二章:电活性与磁活性材料的耦合响应 传统的材料力学侧重于机械应力,但现代工程越来越多地面临需要同时考虑电场、磁场与机械场的耦合作用。本章将深入探讨电活性聚合物(EAPs)、压电陶瓷以及磁性弹性体在多场激励下的复杂响应。 内容细述: 1. 机电耦合本构方程: 基于热力学框架,推导包含电位移和磁通密度项的广义自由能函数。重点分析库仑力和洛伦兹力对弹性模量的动态调制效应。 2. 智能驱动器的设计: 探讨如何利用这些耦合效应设计高灵敏度的传感器和高功率密度的执行器。例如,分析压电材料在超声波载荷下产生的反压电效应与机械疲劳的相互作用。 3. 铁电与磁弹性的非线性动力学: 研究畴壁运动在外部激励下的弛豫行为,以及这种非线性对材料阻尼特性的影响。 第三章:纳米尺度材料的表面效应与尺寸依赖性 当材料尺寸进入纳米量级,表面/体积比急剧增加,表面能和表面应力成为主导因素,导致宏观材料行为失效的预测模型。本章将聚焦于此维度效应。 内容细述: 1. 表面应力张量与表面能的修正: 借鉴Cahn-Hilliard理论的扩展形式,建立考虑表面弛豫和曲率效应的尺寸依赖性弹性理论。 2. 纳米晶材料的塑性机制: 分析位错源的激活与晶界扩散在超细晶/纳米晶金属中的主导作用,特别是其在蠕变和高应变率下的不同表现。 3. 量子尺寸效应的机械影响: 探讨在半导体纳米线或量子点中,电子能带结构变化如何间接影响其弹性模量和断裂韧性。 --- 第二部分:材料在极端环境下的长期服役行为与演化 本部分将研究材料在超出常规温度、辐射或化学侵蚀等极端条件下的长期稳定性和结构退化机制,这对于核能、航空航天和深海工程至关重要。 第四章:高温与辐照环境下的材料时效演化 在高温和高能粒子辐照的共同作用下,材料内部的缺陷(空位、间隙原子、析出相等)动态演化,导致材料性能的不可逆退化。 内容细述: 1. 辐照诱发的相变动力学: 研究辐射对合金中析出相形核、生长和溶解过程的加速或抑制作用,特别是对奥氏体不锈钢中$sigma$相等脆性相的影响。 2. 高温蠕变与微结构耦合: 深入分析晶界扩散控制的蠕变机制,以及在高温下晶界迁移和晶粒粗化对材料长期应变累积的贡献。 3. 先进热障涂层(TBCs)的失效分析: 重点研究热循环导致的界面剥离、氧化物层生长速率模型,以及涂层内部应力松弛对寿命预测的修正。 第五章:材料的腐蚀、疲劳与环境相互作用(COMMIT) 环境因素对材料力学性能的影响,特别是腐蚀疲劳和氢致脆化,是结构安全的关键挑战。本章超越简单的化学腐蚀模型,侧重于机械应力与环境介质的协同作用。 内容细述: 1. 腐蚀疲劳裂纹萌生与扩展的耦合模型: 建立基于电化学活性和局部应变能密度的非线性模型,以预测裂纹尖端的局部腐蚀速率。 2. 氢化物对金属韧性的劣化机制: 详细解析氢原子在晶格中的扩散路径、对位错运动的钉扎效应,以及氢致裂纹扩展的临界应力强度因子。 3. 应力腐蚀开裂(SCC)的区域依赖性: 分析在不同电化学电位下,特定合金(如镍基合金)中SCC敏感区的微观结构特征。 --- 第三部分:面向可持续性的增材制造与回收工程 本部分关注如何利用增材制造(AM)技术带来的设计自由度来创造具有预设功能和结构的材料,并讨论材料在生命周期结束时的再利用策略。 第六章:增材制造材料的残余应力和微结构各向异性 增材制造过程(如选择性激光熔化,SLM)中的快速加热与冷却,导致了独特的微观结构特征——显著的柱状晶生长和高密度的缺陷,进而产生复杂的残余应力场。 内容细述: 1. 热循环与凝固建模: 建立基于有限元-元胞自动机(FE-CA)耦合的快速凝固模型,精确模拟柱状晶的形成方向与尺寸分布。 2. 残余应力场的三维重构与释放: 探讨使用在线监测技术(如原位X射线衍射)测量残余应力分布,并设计退火或后处理工艺来控制其梯度。 3. 各向异性力学性能的表征: 通过多轴加载实验,量化 AM 部件在构建方向、横向和垂直方向上的弹性模量和屈服强度差异,并建立预测模型。 第七章:先进材料的循环经济与回收冶金学 随着高价值合金和稀有金属在工程中的应用增加,开发高效、低能耗的回收技术成为迫切需求。本章将材料科学应用于可持续工程实践。 内容细述: 1. 复杂合金的分离技术: 比较熔炼分离、电化学分离和固态反应分离等方法在回收航空航天用高温合金中钴、镍、铼等元素时的效率和二次污染问题。 2. 回收粉末的性能恢复: 针对回收的金属粉末,探讨通过热等静压(HIP)或热塑性变形等技术消除内部孔隙和应力,恢复其接近原生材料的力学性能。 3. 生命周期评估(LCA)中的材料退化参数: 将材料性能衰减模型纳入LCA,以更准确地评估不同设计寿命对整体环境足迹的影响。 --- 结论 本书的目的是拓宽读者对材料行为的理解边界,从微观尺度的界面电子效应,到宏观尺度的长期服役演化,再到面向未来的可持续制造策略。通过对这些前沿主题的深入剖析,我们期望读者能够掌握设计和预测下一代高性能、高可靠性工程材料所需的新工具和新思维框架。

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