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出版者:John Wiley & Sons Inc

作者:Steinbuchel, Alexander (EDT)/ De Baets, S. (EDT)/ Hofrichter, Martin (EDT)

出品人:

页数:644

译者:

出版时间:

价格:224.00 元

装帧:HRD

isbn号码:9783527302277

丛书系列:

图书标签:

• Biopolymers
• Polymers
• Biomaterials
• Biodegradable polymers
• Sustainable materials
• Green chemistry
• Polymer science
• Biochemistry
• Materials science
• Bio-based materials

塑性形变与材料科学前沿：从宏观力学到微观结构解析 本书旨在全面探讨塑性形变现象在材料科学中的复杂性和多层次性，深入剖析金属、陶瓷、聚合物乃至先进复合材料在受力作用下发生不可逆形变（塑性）的内在机制与宏观表现。本书的重点在于连接微观尺度的晶体学、缺陷运动与宏观尺度的本构关系、工程应用，为研究人员、工程师及高年级本科生提供一个严谨而深入的理论框架与实验视角。 --- 第一部分：塑性形变的基础理论与热力学根源 第一章：连续介质力学基础与应力-应变分析 本章首先回顾了弹性形变在Hooke定律框架下的描述，随即引入非线性粘弹性与粘塑性的概念。我们将详细阐述柯西应力张量、拉格朗日应变张量与阿尔曼修正应变张量的数学定义及其在描述大变形过程中的适用性。重点讨论了屈服判据，包括Tresca准则和Von Mises准则，并对比了它们在描述各向同性材料塑性起始点上的优劣。此外，本章还将引入应变速率张量与应变速率依赖性，为后续讨论高温及高应变率下的形变奠定数学基础。 第二章：晶体塑性学导论：位错理论的核心 塑性形变的微观机制在晶体材料中，归根结底是晶格位错的运动。本章将详尽介绍位错的几何特征，包括边缘位错、螺型位错及其混合位错的 Burgers 矢量和滑移面。通过Frank-Read源模型，解释位错如何在外力作用下增殖，这是宏观塑性应变积累的根本原因。本章后续深入探讨位错之间的相互作用（如纠缠、交割），以及攀移（Climb）机制在扩散控制下的塑性行为中的作用。对晶体学取向与形变模式（如孪晶）之间的关系也将进行细致分析。 第三章：热力学驱动力与缺陷平衡 塑性形变是一个不可逆过程，其驱动力源于吉布斯自由能的降低或能量耗散。本章从统计力学和热力学角度审视形变过程。讨论如何利用能量平衡方程来描述形变过程中的热量释放（焦耳热）和内部能量累积（如位错缠结导致的储存能）。重点关注位错线能量的计算方法及其在确定临界剪切应力中的作用。此外，本章还将涉及点缺陷（如空位和间隙原子）在塑性形变，特别是蠕变过程中对位错运动的调控作用。 --- 第二部分：宏观塑性行为与本构模型 第四章：金属的加工硬化与应变路径依赖性 加工硬化是描述材料在塑性变形过程中强度增加的核心现象。本章系统分析了各种硬化模型，从最基础的随动硬化（Kinematic Hardening）模型，到更复杂的随动与各向同性复合硬化模型（如 Chaboche 模型）。讨论了应变路径（加载、卸载、再加载）如何影响材料的 Bauschinger 效应和包辛格效应。实验方法，如双轴拉伸和扭转组合加载，在揭示材料本构响应方面的应用也将被介绍。 第五章：高温塑性与蠕变行为 在接近材料熔点的温度下，扩散控制的蠕变成为主导的塑性机制。本章聚焦于稳态蠕变和瞬态蠕变。详细阐述了基于位错运动的蠕变机制，如Nabarro-Herring蠕变（晶格扩散）和Coble蠕变（晶界扩散）。本章将对比并推导Norton-Bailey等经验模型，并探讨其在高温工程部件（如涡轮叶片）寿命预测中的应用。对蠕变断裂判据和时间-温度等效原理（TTPA）的深入解析将是本章的重点。 第六章：高应变率塑性与动态响应 本章探讨材料在极高应变率（如冲击、爆炸或高速切削）下的行为。引入了应变率依赖性本构模型，例如Johnson-Cook模型及其改进型。讨论了动态响应中，应变梯度塑性理论（Strain Gradient Plasticity, SGP）的必要性，以解释尺寸效应和孔洞形成机制。冲击加载下材料的动态屈服面拓展以及相变诱发的塑性（如马氏体转变）也将被纳入讨论范围。 --- 第三部分：非金属材料中的塑性与形变耦合 第七章：聚合物的粘塑性与时间-温度依赖性 聚合物的塑性形变与小分子晶体材料存在本质差异。本章侧重于聚合物的粘弹性形变，引入了Maxwell模型、Voigt模型及其推广形式（如广义Maxwell模型）来描述松弛过程。重点讨论了自由体积理论如何解释聚合物屈服强度对温度和应变率的强依赖性（Time-Temperature Superposition Principle, TTSP）。对比了玻璃化转变温度附近和橡胶态下的分子链段运动机制。 第八章：多孔材料与损伤演化中的塑性 多孔材料（如泡沫金属、岩石）的塑性通常伴随着孔洞的萌生、成长与连接，即损伤演化。本章提出Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN) 模型，用以描述孔隙率对屈服强度的影响。分析了塑性应变场中应力集中如何导致微裂纹的形成。对于岩石和混凝土等脆性材料，本章将分析在三轴应力状态下，如何通过考虑摩擦、闭合等机制来修正其塑性流动规则。 第九章：复合材料的界面塑性与基体-增强相相互作用 在纤维增强复合材料中，基体的塑性行为与增强相的刚性特性相互耦合。本章探讨了在层合板结构中，不同层之间的界面剪切和基体的塑性流动如何共同决定复合材料的整体力学响应。对于颗粒增强材料，需要考虑强化效应（如Orowan强化）以及颗粒与基体之间的界面脱粘引起的塑性损伤。本章还将探讨先进材料中，如形状记忆合金（SMA）中的孪晶相变诱发塑性（TRIP）效应。 --- 第四部分：先进计算方法与实验表征 第十章：数值模拟中的塑性本构关系实现 本章聚焦于将复杂的塑性本构模型集成到有限元分析（FEA）软件中的技术细节。详细讨论了位移公式的显式和隐式积分方法，特别是涉及非线性刚度矩阵的牛顿-拉夫森迭代过程。介绍如何处理路径依赖性、应变梯度效应以及接触大变形问题中的收敛性挑战。 第十一章：微观结构表征技术在塑性研究中的应用 最后，本章介绍用于直接观测塑性形变微观机制的实验技术。重点阐述透射电子显微镜（TEM）中的原位加载技术，如何捕捉位错的实时运动和相互作用。利用同步辐射X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）技术，实时或事后分析晶粒尺寸、晶格畸变和取向分布的变化，以量化宏观应变到微观晶体学响应的转换。 本书旨在提供一个跨越尺度、连接理论与应用的综合视角，深入解析塑性形变这一材料科学中最基本也最复杂的现象之一。

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