Fundamentals of Fracture Mechanics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Academic Pr

作者:Antolovich, Stephen D.

出品人:

页数:400

译者:

出版时间:

价格:79.95

装帧:HRD

isbn号码:9780123693846

丛书系列:

图书标签:

• Fracture Mechanics
• Solid Mechanics
• Materials Science
• Engineering Mechanics
• Mechanical Engineering
• Structural Integrity
• Failure Analysis
• Crack Propagation
• Stress Analysis
• Materials Strength

固体力学前沿探索：材料失效的深入解析 本书旨在为材料科学家、工程师以及力学专业学生提供一套关于材料本构关系、塑性理论以及疲劳断裂现象的全面、深入的论述。本书的重点聚焦于宏观和介观尺度的材料响应，特别是材料在复杂应力状态下如何从弹性变形过渡到最终失效的过程。我们避免了对特定断裂力学理论（如线弹性断裂力学或弹塑性断裂力学）的系统性介绍，而是将核心置于微观结构对宏观力学性能的调控以及先进材料设计理念的探讨。 全书结构分为六个主要部分，层层递进，构建了一个严谨的理论框架。 --- 第一部分：连续介质力学基础与本构关系重构 本部分首先回顾了描述宏观材料行为所必需的张量分析和微分几何的基础知识，确保读者对位移、应变、应力和应变率的数学表达有扎实的理解。随后，我们深入探讨了非线性弹性本构关系，特别是材料在大幅度变形下如何偏离胡克定律，并引入了Lagrange弹性体和Green-Lagrange应变张量的物理意义。 核心内容在于粘弹性与粘塑性理论的辨析。我们详细分析了Creep（蠕变）现象，利用松弛时间谱和状态变量理论来描述材料随时间变化的粘滞行为。对于粘塑性部分，重点阐述了率依赖性（Rate-Dependence），区分了热激活过程与非热激活过程对流动应力的影响，并引入了如Johnson-Cook模型等经验和半经验模型在描述高速加载条件下的失效前行为。 我们强调，本部分将材料的微观结构（如晶界、位错密度）视为决定宏观本构参数的基础，而非将其视为独立的外部因素。因此，对晶体塑性的引入是必要的，通过描述单个晶粒内的应力与滑移系统的相互作用，解释了宏观织构的形成和各向异性应力响应的起源。 --- 第二部分：宏观塑性理论与屈服准则的局限性 第二部分集中于连续介质塑性理论（Continuum Plasticity）。我们从塑性势理论出发，阐述了增量塑性理论（Incremental Theory）与有限变形塑性理论（Finite Strain Plasticity）的差异。重点分析了流动法则（Flow Rule）的推导过程，并详细对比了Prandtl-Reuss、Voce等经典模型的适用范围及其对加载路径敏感性的描述能力。 书中花费大量篇幅讨论了屈服准则（Yield Criteria）的选择。不仅仅是介绍经典的Tresca和von Mises准则，更深入地探讨了各向异性屈服面的建模，如Hill模型及其高阶变体。我们通过分析多晶材料在平面应变压缩和拉伸状态下的屈服行为，揭示了传统准则在描述复杂三向应力状态下的不足，并引入了描述孔隙和微裂纹起始相关的初始塑性各向异性指标。 此外，硬化法则（Hardening Rule）的讨论是本部分的另一关键。我们区分了等向硬化（Isotropic Hardening）、随动硬化（Kinematic Hardening）以及复合硬化（Combined Hardening）的物理机制。通过与实验数据（如Bauschinger效应）的对比，展示了如何利用Back Stress等概念来精确捕捉加载-卸载循环中的滞回现象，为后续疲劳分析打下基础。 --- 第三部分：材料微观组织与力学性能的耦合 本部分是全书的创新点之一，它将材料的微观结构特征直接嵌入到力学模型的建立过程中。我们探讨了晶体缺陷，尤其是位错（Dislocations）的运动、交割和源发机制如何影响材料的流变应力。 详细分析了晶界对塑性变形的阻碍作用，引入了Hall-Petch关系的更精细化版本，讨论了在纳米尺度下晶粒尺寸效应的反转现象（Inverse Hall-Petch Effect）。 更进一步，我们讨论了第二相粒子（如沉淀物、夹杂物）在塑性变形中的作用。这包括粒子钉扎（Particle Pinning）机制、绕越机制（Orowan Looping）以及粒子与基体界面处的应力集中效应。通过有限元模拟（不涉及具体软件操作，仅阐述数学模型），展示了不同分布和尺寸的粒子如何影响整体材料的屈服强度和加工硬化率。 --- 第四部分：结构完整性与损伤演化模型 本部分避开特定的裂纹尖端应力场分析，转而关注结构损伤的累积与演化。我们引入了连续介域损伤力学（Continuum Damage Mechanics, CDM）的概念，将损伤定义为材料有效承载面积的减小，并用一个标量或张量$D$来量化。 重点介绍了Kachanov损伤模型及其在蠕变断裂中的应用。随后，我们讨论了Lemaître等效等价应力的概念，以及如何将损伤变量耦合到粘塑性本构关系中，形成损伤塑性模型。这使得描述材料在塑性变形累积后，其刚度和承载能力的系统性退化成为可能。 书中还探讨了微孔隙（Void）的萌生、增长和连通这一关键过程。我们基于Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) 模型的思想框架（但不深入其具体的断裂判据），阐述了孔隙体积分数如何影响塑性应变增量，以及在高应变率下的孔隙膨胀机制。 --- 第五部分：多尺度材料失效的数值表征方法 本部分侧重于将微观信息传递至宏观模型的数值工具。我们介绍了代表性体积单元（Representative Volume Element, RVE）的概念，并阐述了如何通过周期性边界条件（Periodic Boundary Conditions, PBCs）来模拟多相材料的平均力学响应。 详细讨论了晶体塑性有限元（CPFEM）的构建基础，强调了如何通过平均化技术将晶粒尺度的应变和应力场转化为宏观响应。这部分内容是为了理解复杂载荷下材料内部应力不均匀性的来源，而不是用于预测裂纹扩展路径。 此外，我们引入了介观尺度模拟的必要性，特别是当材料内部存在大量非均匀相（如纤维增强复合材料或金属基体中的不熔合区）时，传统CDM的局限性。 --- 第六部分：先进材料的力学响应与未来展望 最后一部分将前述理论应用于特定先进材料体系。 1. 高熵合金（HEAs）的塑性：分析其独特的无化学长程有序结构如何导致复杂的多通道滑移和增强的均匀性，以及如何在高温下维持高强度。 2. 金属间化合物的脆性：探讨由于其特殊的晶体结构（如B2, L12相）导致的位错运动受限和高堆垛层错能对塑性变形能力的显著影响。 3. 梯度结构材料（Functionally Graded Materials, FGM）：讨论如何利用材料成分的连续变化来优化应力分布，降低传统界面处的应力集中问题。 本书的最终目标是培养读者从微观结构到宏观力学行为的批判性思维，为设计具有特定服役性能和耐久性的下一代工程材料提供坚实的理论基础。全书不侧重于特定断裂判据的计算应用，而是侧重于理解材料抵抗塑性变形和损伤的内在机制。

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