材料力學(xué)行為試驗(yàn)與分析

前言

　　當(dāng)今世界，自然科學(xué)與技術(shù)以前所未有的速度發(fā)展，特別是材料學(xué)科的發(fā)展尤其突出，一些與材料相關(guān)的交叉學(xué)科層出不窮。近年來，綠色環(huán)保材料、納米材料、超高強(qiáng)度鋼、導(dǎo)電高分子薄膜材料以及生物仿生材料等相關(guān)的新工藝、新理論、新實(shí)驗(yàn)方法、新觀點(diǎn)、新現(xiàn)象不同程度地滲入到各個(gè)研究領(lǐng)域。特別值得注意的是，材料微結(jié)構(gòu)的變化與力學(xué)行為間的關(guān)系越來越清楚地表明：材料小尺度力學(xué)性能、應(yīng)力（應(yīng)變）尺度效應(yīng)以及微結(jié)構(gòu)對(duì)材料破壞機(jī)理的貢獻(xiàn)的定量研究已成為材料逆向設(shè)計(jì)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。過去一些被認(rèn)為難以解決的問題，隨著科學(xué)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法研究的發(fā)展，例如，呈現(xiàn)在人們眼前的小尺度下的材料微結(jié)構(gòu)演化過程已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)記錄，使得認(rèn)識(shí)材料復(fù)雜微結(jié)構(gòu)在力場(chǎng)、溫度場(chǎng)的演化規(guī)律，研究各向異性以及非連續(xù)性材料的力學(xué)性質(zhì)、復(fù)雜宏、微觀損傷機(jī)理以及材料跨尺度性能特征及其尺度效應(yīng)已成為可能。　　第2版在第1版的基礎(chǔ)上有意識(shí)地弱化傳統(tǒng)材料力學(xué)性能檢測(cè)方法的敘述，加強(qiáng)了專題研究應(yīng)用篇中的熱門研究?jī)?nèi)容。第2版仍保留第1版的從試驗(yàn)中獲取科學(xué)問題的基本研究思想，重點(diǎn)介紹固體材料微結(jié)構(gòu)小尺度下力學(xué)行為演化中的失效模型和定量表征方法，目的是用大量試驗(yàn)內(nèi)容啟發(fā)讀者如何從試驗(yàn)過程中尋找新現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)新問題，并根據(jù)對(duì)這些問題的認(rèn)識(shí)撰寫出相關(guān)科學(xué)論文。同時(shí)，第2版還對(duì)原小尺度下的鑄造鎂鋁合金、含夾雜物超高強(qiáng)度鋼的疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展規(guī)律及相關(guān)影響進(jìn)行了補(bǔ)充，并將作者近年在SEM原位試驗(yàn)研究方法方面取得的最新成果進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，如納米顆粒磁濺射金屬薄膜一基體結(jié)構(gòu)的SEM原位失效特性研究，探索薄膜一基體結(jié)構(gòu)及薄膜內(nèi)的失效應(yīng)力表征方法，實(shí)際焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的高周疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展試驗(yàn)方法和有限元分析模型。

內(nèi)容概要

　　《材料力學(xué)行為試驗(yàn)與分析（第2版）》介紹了固體材料力學(xué)行為試驗(yàn)研究方法，特別是輕金屬、超高強(qiáng)度鋼、“三明治”復(fù)合結(jié)構(gòu)材料、導(dǎo)電高分子薄膜、金屬膜基結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)等現(xiàn)代材料（advance materials）的多尺度力學(xué)行為檢測(cè)與表征方法。對(duì)這些材料的微結(jié)構(gòu)與損傷力學(xué)行為間的關(guān)系，通過先進(jìn)的SEM原位研究手段，以大量圖片和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行描述，結(jié)合材料加工工藝對(duì)力學(xué)行為的影響及其他因素進(jìn)行了詳盡的討論。第2版在保留第1版大部分內(nèi)容的基礎(chǔ)上，新增加了納米顆粒金屬膜?基結(jié)構(gòu)界面和表面的變形、裂紋萌生的檢測(cè)與失效分析，以及實(shí)際焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)高周疲勞失效行為的SEM原位檢測(cè)方法和有限元分析。增加的內(nèi)容對(duì)MEMS和大規(guī)模集成電路板的失效模式、關(guān)鍵控制參數(shù)等的認(rèn)識(shí)具有一定的參考價(jià)值?！恫牧狭W(xué)行為試驗(yàn)與分析（第2版）》的最大特點(diǎn)是更關(guān)注材料小尺度條件下力學(xué)行為演化過程的SEM原位試驗(yàn)檢測(cè)及其結(jié)果的定量表征。　　《材料力學(xué)行為試驗(yàn)與分析（第2版）》可作為工程力學(xué)、材料學(xué)、航空工程、土木、水利、機(jī)械、化工、核能工程等專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生的高等材料力學(xué)課程輔助教材，也可作為科研及工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1篇 基礎(chǔ)研究方法篇第1章 緒論1.1 高技術(shù)與現(xiàn)代固體材料1.2 現(xiàn)代固體材料的分類1.3 固體材料的力學(xué)行為概述1.4 材料力學(xué)行為的研究與應(yīng)用1.4.1 彈性變形1.4.2 塑性變形1.4.3 斷裂行為1.4.4 疲勞行為1.4.5 蠕變行為參考文獻(xiàn)第2章 單向拉伸壓縮試驗(yàn)與分析2.1 引言2.1.1 彈性階段2.1.2 屈服階段2.1.3 強(qiáng)化階段2.1.4 頸縮階段2.2 金屬材料拉伸現(xiàn)象的細(xì)微觀解釋2.2.1 金屬材料的彈性2.2.2 金屬材料的屈服2.2.3 金屬材料的應(yīng)變強(qiáng)化2.2.4 材料頸縮階段出現(xiàn)斷裂2.3 彈性破壞與斷裂準(zhǔn)則2.4 應(yīng)力集中和缺口效應(yīng)對(duì)材料斷裂的影響2.4.1 缺口應(yīng)力集中系數(shù)或強(qiáng)度降低系數(shù)2.4.2 加載速率或應(yīng)變速率對(duì)材料力學(xué)性能的影響2.4.3 拉伸試驗(yàn)的步驟2.5 特殊試樣的拉伸壓縮試驗(yàn)方法與分析2.6 斷口分析參考文獻(xiàn)第3章 殘余應(yīng)力檢測(cè)與分析3.1 引言3.2 殘余應(yīng)力的測(cè)量方法3.2.1 物理式殘余應(yīng)力測(cè)試方法3.2.2 機(jī)械式殘余應(yīng)力測(cè)試方法3.3 機(jī)械式平面殘余應(yīng)力測(cè)試方法3.3.1 小孔釋放法基本原理3.3.2 反向加載的載荷計(jì)算3.3.3 用應(yīng)變花測(cè)量殘余主應(yīng)力及方向3.4 機(jī)械式三維殘余應(yīng)力的測(cè)試與分析方法3.4.1 應(yīng)用廣義胡克定律的測(cè)量方法3.4.2 應(yīng)用三維靜力平衡方程式的測(cè)量方法3.5 磁測(cè)殘余應(yīng)力方法3.5.1 磁測(cè)技術(shù)分類3.5.2 巴克豪生效應(yīng)在無損檢測(cè)與評(píng)估中的應(yīng)用3.5.3 影響磁測(cè)殘余應(yīng)力的主要因素3.5.4 四極磁探頭的磁測(cè)殘余應(yīng)力模型3.6 磁測(cè)殘余應(yīng)力試驗(yàn)分析3.7 磁測(cè)殘余應(yīng)力的應(yīng)用實(shí)例3.7.1 寶山鋼鐵廠新型鋼材焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)3.7.2 揚(yáng)子石化壓力容器焊縫附近殘余應(yīng)力檢測(cè)參考文獻(xiàn)第4章 小尺度下力學(xué)行為SEM原位試驗(yàn)與分析4.1 引言4.2 SEM原位力學(xué)行為試驗(yàn)的工作原理與特點(diǎn)4.2.1 掃描電子顯微鏡的工作原理與特點(diǎn)4.2.2 試樣加熱、加載下的SEM原位試驗(yàn)4.3 SEM原位力學(xué)行為試驗(yàn)用試樣制備技術(shù)4.4 SEM原位掃描圖片景深比較參考文獻(xiàn)第5章 疲勞試驗(yàn)基本概念與方法5.1 引言5.2 疲勞試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介5.3 疲勞的基本概念5.4 疲勞裂紋擴(kuò)展速率的評(píng)價(jià)方法5.4.1 疲勞裂紋擴(kuò)展的線彈性破壞力學(xué)5.4.2 疲勞裂紋擴(kuò)展的彈塑性破壞力學(xué)5.5 一種簡(jiǎn)單疲勞壽命預(yù)測(cè)方法5.6 特殊條件下的疲勞行為5.6.1 接觸疲勞5.6.2 微動(dòng)疲勞5.6.3 多軸疲勞5.6.4 疲勞壽命的表征5.6.5 聚合物材料的疲勞問題參考文獻(xiàn)第2篇 專題研究應(yīng)用篇第6章 “三明治”復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)行為試驗(yàn)研究6.1 引言6.1.1 國內(nèi)外對(duì)夾層板的研究簡(jiǎn)述6.1.2 夾層板的理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)6.2 “三明治”復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的制備工藝特點(diǎn)6.3 “三明治”復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)行為試驗(yàn)與分析6.3.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析6.3.2 U3Si2-Al復(fù)合燃料板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與分析6.3.3 U3Si2-Al復(fù)合燃料板疲勞試驗(yàn)結(jié)果與分析6.4 “三明治”復(fù)合結(jié)構(gòu)核材料界面附近變形的數(shù)字散斑分析方法6.4.1 DSCM對(duì)SEM圖片的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)6.4.2 剛體位移實(shí)驗(yàn)6.4.3 SEM原位彎曲載荷對(duì)應(yīng)的圖像序列6.5 復(fù)合材料層壓板疲勞壽命簡(jiǎn)便估計(jì)方法參考文獻(xiàn)第7章 超高強(qiáng)度鋼的微觀力學(xué)行為SEM原位試驗(yàn)與分析7.1 引言7.1.1 超高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能特點(diǎn)7.1.2 超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)用7.1.3 超高強(qiáng)度鋼總體發(fā)展趨勢(shì)7.1.4 含夾雜物的超高強(qiáng)度鋼微觀破壞機(jī)制研究的意義7.1.5 夾雜物附近疲勞裂紋萌生方式7.2 超高強(qiáng)度鋼的一般制備工藝7.2.1 金屬的強(qiáng)化手段7.2.2 本實(shí)驗(yàn)研究中所用的超高強(qiáng)度鋼7.3 含夾雜物的超高強(qiáng)度鋼的SEM原位靜態(tài)拉伸試驗(yàn)與分析7.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試樣制備7.3.2 SEM原位靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析7.4 含夾雜物的超高強(qiáng)度鋼的SEM原位疲勞試驗(yàn)與分析7.5 夾雜物形狀、大小對(duì)裂紋萌生與擴(kuò)展的影響分析7.5.1 夾雜物形狀對(duì)裂紋萌生與擴(kuò)展的影響7.5.2 夾雜物形狀對(duì)裂紋萌生位置的影響7.5.3 夾雜物大小的影響7.5.4 壓痕標(biāo)記對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響7.6 含夾雜物的超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)有限元模擬分析7.6.1 疲勞微裂紋萌生的兩個(gè)模型：棘輪效應(yīng)與Shake-Down模型7.6.2 硬質(zhì)夾雜周圍應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析參考文獻(xiàn)第8章 鎂鋁合金微觀力學(xué)行為試驗(yàn)研究8.1 引言8.1.1 鎂及鎂鋁合金的性能特點(diǎn)8.1.2 鎂鋁合金的工業(yè)應(yīng)用8.1.3 鎂鋁合金的發(fā)展方向8.1.4 鎂鋁合金的研究現(xiàn)狀8.2 鑄造鎂鋁合金疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展行為研究8.2.1 材料與試驗(yàn)方法8.2.2 疲勞小裂紋萌生規(guī)律8.2.3 疲勞小裂紋擴(kuò)展特征8.2.4 疲勞裂紋擴(kuò)展速率的評(píng)價(jià)方法8.3 高溫下的鎂鋁合金疲勞行為研究8.3.1 高溫條件下鑄造AM50合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率表征8.3.2 影響鑄造AM50合金高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率的變化機(jī)理8.4 Ca/Sr添加對(duì)鑄造鎂鋁合金的力學(xué)行為影響8.4.1 Ca/Sr添加對(duì)AZ91D合金的組織及力學(xué)性能的影響8.4.2 Ca/Sr添加鎂鋁合金的原位拉伸試驗(yàn)研究與分析8.5 缺口對(duì)鑄造鎂鋁合金的力學(xué)行為影響討論8.5.1 應(yīng)力集中的影響8.5.2 有限元模擬分析參考文獻(xiàn)第9章 導(dǎo)電高分子薄膜力學(xué)行為試驗(yàn)研究9.1 引言9.2 導(dǎo)電高分子薄膜制備工藝與力學(xué)9.2.1 導(dǎo)電高分子制備過程9.2.2 導(dǎo)電高分子薄膜沉積機(jī)理與分析9.3 導(dǎo)電高分子薄膜力學(xué)行為試驗(yàn)與分析9.3.1 實(shí)驗(yàn)方法及裝置簡(jiǎn)介9.3.2 導(dǎo)電聚噻吩薄膜材料試驗(yàn)結(jié)果與討論9.3.3 導(dǎo)電聚吡咯薄膜的強(qiáng)度參數(shù)檢測(cè)及比較9.4 導(dǎo)電高分子薄膜顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為間的關(guān)系9.5 斷口分析與聚吡咯薄膜微結(jié)構(gòu)分析9.6 熱-力學(xué)參數(shù)對(duì)薄膜力學(xué)行為的影響參考文獻(xiàn)第10章 膜-基結(jié)構(gòu)力學(xué)行為SEM原位檢測(cè)與模型化10.1 引言10.1.1 常見MEMS/ULSI中薄膜材料簡(jiǎn)介10.1.2 薄膜材料-基體的失效模式10.2 磁控濺射薄膜的相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法10.2.1 磁控濺射薄膜的制備10.2.2 薄膜內(nèi)應(yīng)力分析10.2.3 膜-基結(jié)合強(qiáng)度的確定方法10.3 彈性各向異性對(duì)薄膜表面穩(wěn)定性的影響10.3.1 薄膜系統(tǒng)的線性攝動(dòng)分析10.3.2 薄膜-基體結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布的討論10.3.3 攝動(dòng)張量σ~f的Airy應(yīng)力函數(shù)的表達(dá)10.3.4 薄膜中的攝動(dòng)應(yīng)力分布10.3.5 薄膜-基體結(jié)構(gòu)的總能量確定方法10.3.6 薄膜表面攝動(dòng)的臨界波長和最佳波長10.3.7 薄膜的彈性各向異性的影響10.4 膜-基結(jié)構(gòu)SEM原位試驗(yàn)與失效分析10.4.1 膜-基結(jié)構(gòu)的失效模式概述10.4.2 膜-基結(jié)構(gòu)的三點(diǎn)彎曲時(shí)SEM原位失效行為試驗(yàn)及模型化10.4.3 單層膜-基結(jié)構(gòu)中失效應(yīng)力的評(píng)價(jià)10.4.4 膜-基結(jié)構(gòu)的四點(diǎn)彎曲失效參考文獻(xiàn)第11章 電子器件SMT焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的高周疲勞失效行為研究11.1 引言11.2 電子封裝研究的必要性和復(fù)雜性11.3 拉-拉疲勞載荷下焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞失效行為SEM原位研究11.4 對(duì)四點(diǎn)彎曲疲勞載荷下焊點(diǎn)疲勞失效行為的SEM原位觀測(cè)研究11.5 對(duì)SMT焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的有限元分析11.5.1 SnPb塊體材料的本構(gòu)方程11.5.2 SMT焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)有限元模型的建立11.5.3 基板受不同靜拉伸載荷作用時(shí)的有限元計(jì)算11.5.4 基板受疲勞載荷作用時(shí)的有限元計(jì)算11.5.5 基板在四點(diǎn)彎曲載荷作用下的有限元模擬計(jì)算11.6 焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)11.6.1 拉伸（疲勞）載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)11.6.2 四點(diǎn)彎曲載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)11.7 SMT焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的失效評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)11.7.1 疲勞裂紋擴(kuò)展速率表征11.7.2 疲勞壽命模型與預(yù)測(cè)參考文獻(xiàn)第12章 生物材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為檢測(cè)12.1 引言12.2 典型案例一：蜻蜓翅膀微結(jié)構(gòu)對(duì)其飛行力學(xué)性能影響的初探12.3 典型案例二：猴頭牽引試驗(yàn)與分析12.4 典型案例三：擴(kuò)弓試驗(yàn)與分析12.5 典型案例四：蒼蠅小腿微結(jié)構(gòu)與仿生分析12.6 典型案例五：“爬墻虎”植物微結(jié)構(gòu)與吸附機(jī)理參考文獻(xiàn)附錄A 試驗(yàn)研究報(bào)告寫作范例附錄B 研究性論文寫作范例參考文獻(xiàn)附錄C 中英文名詞對(duì)照

章節(jié)摘錄

　　在討論材料的力學(xué)行為時(shí)，首先討論彈性力學(xué)行為，并作相應(yīng)假設(shè)：當(dāng)外力作用在物體上，彈性變形是由于原子在平衡位置發(fā)生微小遷移而引起的。因此，固體材料的基本性質(zhì)就直接與原子間的結(jié)合力有關(guān)。這種位置在單位長度上的變化稱為變形，而彈性變形與其他形式的變形相比，在更細(xì)微的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出均勻性，因?yàn)樗ㄋ性游恢玫倪w移，而不是原子正好處于某一臨界位置。由于彈性變形的這種內(nèi)在本質(zhì)，彈性行為的某些性質(zhì)就可由此推論出：彈性變形是完全可逆的，因?yàn)樗窃釉谄胶馕恢酶浇奈⑿∫苿?dòng)，沒有大規(guī)模原子位置的重新排列。因此，外力取消后，原子趨向于回復(fù)到它們的原始狀態(tài)，并且最終原子也確實(shí)回到它們的原位，物體也就恢復(fù)原先形狀?！　∮捎趶椥宰冃伟腆w材料中所有原子的移動(dòng)，故微量成分變化對(duì)材料彈性行為的影響不大。在固體材料中，某一元素中的少數(shù)幾個(gè)原子與另一元素中的少數(shù)幾個(gè)原子發(fā)生交換，僅改變了被交換原子中的原子間的結(jié)合力。材料彈性反應(yīng)影響的大小，大致正比于被置換的原子數(shù)及其有關(guān)的結(jié)合力的差異。通常在合金化中使用的各種元素或偶爾作為雜質(zhì)摻入的元素，其變化僅為百分之幾。因此一種材料的不同合金之間和它的夾雜含量之間，其彈性行為的差異通常比較小。例如，許多合金鋼幾乎都有相同的彈性模量（193-210GPa）。與此相比，這些不同的合金鋼的屈服強(qiáng)度卻有數(shù)量級(jí)的差異。

編輯推薦

　　《材料力學(xué)行為試驗(yàn)與分析（第2版）》內(nèi)容分兩篇，基礎(chǔ)篇介紹了固體材料常見力學(xué)性能試驗(yàn)研究與分析方法；專題篇介紹了作者近年來對(duì)固體材料在小尺度下?lián)p傷機(jī)理及相關(guān)影響因素的SEM原位試驗(yàn)研究結(jié)果，特別是對(duì)固體材料在多尺度下?lián)p傷演化行為的檢測(cè)方法、定量表征以及模型化分析。與第1版相比，第2版在介紹固體材料力學(xué)失效行為的前沿和熱點(diǎn)問題的同時(shí)，適當(dāng)減少了有關(guān)常規(guī)材料力學(xué)性能檢測(cè)方法的敘述.加強(qiáng)了專題研究?jī)?nèi)容的介紹，如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和大規(guī)模集成電路（ULSI）中金屬膜一基結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的失效特征及研究方法等?！　　恫牧狭W(xué)行為試驗(yàn)與分析（第2版）》可作為工程力學(xué)、材料學(xué)、航空工程、土木、水利、機(jī)械、化工、核能工程等專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生的高等材料力學(xué)課程輔助教材，也可作為科研及工程技術(shù)人員的參考書。

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