具体描述
质量安全法规汇编，ISBN：9787502630492，作者：国家质量监督检验疫总局 编
《现代工程材料力学进展》 内容简介 《现代工程材料力学进展》是一部深度剖析当前工程材料力学前沿理论与应用的研究专著。本书旨在为从事材料科学、机械工程、土木工程、航空航天等领域的研究者、工程师及高年级本科生提供一个系统、前沿的学习平台，帮助读者掌握理解和预测工程材料在复杂载荷、极端环境下行为的关键知识。 全书共分为十五章，内容涵盖了从宏观力学行为到微观结构演化，从传统材料模型到新兴智能材料的力学响应，并深入探讨了先进的数值模拟与实验测试方法。本书并非对现有材料力学知识的简单罗列，而是侧重于那些能够推动工程实践和科学发现的最新研究成果和理论突破。 第一章 绪论：新世纪材料力学的挑战与机遇 本章首先回顾了材料力学在现代工程中的基石地位，随后重点阐述了随着科技发展，材料力学面临的新挑战，例如纳米材料、智能材料、复合材料的日益普及，以及极端服役环境（高温、低温、高压、腐蚀等）对材料性能提出的严峻考验。接着，章节展望了材料力学在解决这些挑战中的关键作用，包括材料设计、性能预测、失效分析等，并指出了数值模拟、高通量实验等新兴技术将如何重塑未来的研究范式。 第二章 高级本构模型与非线性力学行为 本章深入探讨了适用于描述现代工程材料复杂非线性行为的高级本构模型。内容包括： 弹塑性力学前沿： 详细介绍包含各向异性、应变率效应、损伤演化和多尺度耦合的高级弹塑性模型。重点讲解如吉田-伊藤模型、Chaboche模型等在描述金属材料和聚合物材料塑性变形中的最新进展，并探讨了如何通过微观机制来构建更精准的宏观本构关系。 粘弹性与粘塑性： 阐述描述聚合物、沥青、软物质等材料时间依赖性力学响应的粘弹性模型，如广义Maxwell模型、Kelvin-Voigt模型及其改进形式。同时，深入研究了粘塑性行为，包括其与粘弹性的相互作用，以及在蠕变、应力松弛等现象中的应用。 疲劳与断裂力学新进展： 介绍基于损伤力学的疲劳寿命预测模型，特别是多轴疲劳和应变控制疲劳的最新研究。在断裂力学方面，重点关注塑性区对裂纹尖端行为的影响，损伤累积理论在预测剩余寿命中的应用，以及断裂韧性在复杂应力状态下的评估方法。 损伤力学与寿命预测： 详细讨论损伤的微观根源与宏观表现的联系，包括微孔洞形成、微裂纹扩展等损伤机制的模型化。重点介绍先进的损伤演化方程，以及如何将损伤模型耦合到有限元分析中，实现对材料在服役过程中性能退化的精确预测。 第三章 复合材料力学：多尺度与损伤分析 本章聚焦于现代工程中日益重要的复合材料，从多尺度角度剖析其力学性能： 宏观层面的连续介质模型： 介绍基于层合板理论的经典模型，并重点阐述了考虑纤维-基体界面损伤、层间剥离以及宏观失效模式（如基体开裂、纤维断裂）的现代宏观模型。 微观与中尺度模型： 深入探讨了用于模拟纤维、基体及其界面之间相互作用的微观力学模型，包括基于代表性体积单元（RVE）的平均方法和基于特定失效准则的分析。重点介绍如何通过这些模型来预测宏观性能，并为宏观模型的材料参数提供依据。 损伤的演化与失效机理： 详细分析复合材料在不同载荷下的损伤累积过程，包括基体开裂、纤维断裂、层间滑移和剥离等。重点介绍各种损伤演化模型，以及如何结合实验数据来验证和修正这些模型，实现对复合材料复杂失效过程的预测。 先进复合材料的力学行为： 讨论如碳纳米管增强复合材料、自修复复合材料等新型复合材料的力学特性，以及如何通过结构设计和材料组分优化来提升其性能。 第四章 智能材料的力学响应与调控 本章深入研究了能够感知环境变化并作出响应的智能材料，重点关注其力学行为： 形状记忆合金（SMA）： 阐述SMA的相变机制及其引起的超弹性、阻尼效应和两向性。介绍用于描述SMA力学行为的本构模型，以及其在驱动器、传感器和减震器等方面的应用。 压电材料： 讲解压电效应的物理基础，以及压电材料在传感器、执行器和能量收集等方面的应用。介绍压电材料的本构方程，并讨论其在耦合场（电-力）下的力学响应。 磁流变材料（MRF）与电流变材料（ERF）： 阐述这些材料在外部磁场或电场作用下粘度变化的机制，并探讨其在阻尼器、可控离合器等方面的应用。介绍描述其剪切应力与剪切速率、外部场强之间关系的本构模型。 自修复材料： 讨论自修复材料的微观结构设计和修复机理，以及修复过程对材料宏观力学性能的影响。介绍如何量化自修复效率，并探索其在提高结构可靠性方面的潜力。 第五章 纳米材料力学：尺度效应与量子力学影响 本章探讨了在纳米尺度下材料表现出的独特力学行为： 尺度效应： 详细分析表面效应、界面效应和量子效应在纳米材料力学中的重要性。讨论如何使用原子尺度模拟（如分子动力学）来研究纳米材料的力学性能，并解释为何传统宏观力学理论不再适用。 碳纳米管与石墨烯的力学： 深入研究碳纳米管和石墨烯作为高强度、高刚度纳米结构的力学特性，包括其杨氏模量、泊松比、抗拉强度等，并讨论其在复合材料增强中的作用。 纳米压痕与纳米冲击测试： 介绍用于表征纳米材料力学性能的实验技术，如纳米压痕、原子力显微镜（AFM）驱动的纳米力学测试等，并讲解如何从实验数据中提取材料的硬度、弹性模量等参数。 量子力学在材料力学中的应用： 简要介绍量子力学原理（如密度泛函理论）如何用于计算纳米材料的电子结构，进而预测其化学键的强度和弹性性能。 第六章 高温材料力学 本章专注于在高温环境下服役的工程材料的力学行为： 蠕变与应力松弛： 详细讲解高温下材料发生的蠕变现象，介绍各种蠕变本构模型（如Norton模型、Garofalo模型），并深入分析影响蠕变速率的因素，如温度、应力水平、材料微观结构等。 热机械疲劳（TMF）： 讨论材料在交变温度和应力共同作用下的疲劳损伤，分析TMF的损伤机制，并介绍用于预测TMF寿命的损伤模型。 氧化与热腐蚀对力学性能的影响： 探讨高温下材料表面氧化、热腐蚀等化学反应如何影响材料的力学性能，如氧化层的形成、基体材料的消耗等，并介绍相应的建模方法。 高温合金与陶瓷材料的力学行为： 介绍高温合金（如镍基高温合金）和工程陶瓷在高温下的蠕变、疲劳和断裂特性，并分析其微观结构对宏观力学性能的影响。 第七章 深海与极地材料力学 本章探讨了在极端深海和极地环境下材料面临的独特力学挑战： 高静水压效应： 分析高静水压对材料强度、刚度和失效模式的影响，特别是对中空结构和焊接接头的性能评估。 低温脆性： 详细讨论材料在低温下的韧性下降和脆性断裂行为，介绍低温断裂韧性的测试方法和评估准则，如Charpy V型缺口冲击试验。 海洋环境腐蚀与疲劳耦合： 探讨在海洋环境中，腐蚀与疲劳的协同作用如何加速材料失效，介绍海洋环境腐蚀疲劳（MCF）的损伤机理和预测模型。 冰载荷与冰载荷作用下的材料性能： 研究冰与结构物相互作用产生的复杂载荷，分析不同温度和状态的冰对材料造成的冲击、磨损和疲劳损伤。 第八章 极端载荷下的材料力学 本章聚焦于材料在冲击、爆炸等极端载荷下的响应： 冲击动力学： 介绍描述材料在高速冲击下行为的动力学方程，包括材料的应变率敏感性、相变动力学和损伤演化。 应变率效应模型： 重点讲解如Johnson-Cook模型、Mead-Krieg模型等广泛应用于冲击动力学仿真的材料本构模型，并讨论这些模型的适用范围和局限性。 爆炸载荷下的材料响应： 分析爆炸冲击波的传播及其对结构和材料造成的瞬态响应，包括塑性变形、断裂和碎片化。 弹道极限与穿甲分析： 介绍用于评估防护结构在弹道撞击下失效的理论和数值方法，以及分析穿甲过程中的材料变形和能量耗散。 第九章 材料的细观力学与损伤演化 本章深入到材料的细观层面，研究其内部结构如何影响宏观力学性能： 多相材料的细观分析： 讨论如何建立包含晶粒、晶界、第二相粒子等细观特征的材料模型，并利用这些模型来预测材料的整体力学响应。 损伤的细观起源： 深入研究微孔洞形核、长大、合并以及微裂纹萌生、扩展等损伤的细观机制，并介绍如何用细观力学模型来描述这些过程。 界面力学： 重点分析材料内部不同相或组分之间的界面行为，包括界面的强度、粘附性以及在载荷作用下的变形和损伤。 基于细观仿真的宏观性能预测： 讲解如何通过细观尺度的数值模拟（如晶体塑性有限元法）来重现宏观材料的各向异性、塑性变形和损伤演化，从而为宏观本构模型的参数化提供依据。 第十章 结构的疲劳寿命预测与可靠性分析 本章将材料力学知识应用于工程结构的可靠性评估： 疲劳损伤累积模型： 详细介绍Miner法则的局限性，以及在此基础上发展的更先进的疲劳损伤累积模型，如基于应力/应变控制、损伤力学的模型。 裂纹扩展速率模型： 讲解Paris定律及其发展，包括考虑应力比、应力强度因子范围、裂纹闭合效应等对裂纹扩展速率影响的模型。 可靠性工程方法： 引入概率论和数理统计方法，阐述如何对材料性能的不确定性、载荷的随机性进行建模，并在此基础上进行结构可靠性分析。 损伤容限设计理念： 探讨如何结合疲劳寿命预测和可靠性分析，实现损伤容限设计，确保结构在服役期间即使存在裂纹也能安全运行。 第十一章 断裂力学与剩余寿命评估 本章专注于材料的断裂行为及其在结构安全中的应用： 线弹性断裂力学： 回顾应力强度因子、断裂韧性（KIC）等基本概念，并介绍其在简单载荷条件下的应用。 弹塑性断裂力学： 深入探讨在存在较大塑性区时的断裂行为，介绍J积分、CTOD（裂纹尖端张开位移）等断裂参数，以及它们在评估材料韧性中的作用。 损伤累积断裂： 结合损伤力学，介绍如何描述材料在循环载荷作用下损伤累积最终导致断裂的过程，特别是对疲劳裂纹扩展和突发性断裂的预测。 剩余寿命评估技术： 结合裂纹扩展模型和可靠性分析，介绍各种评估结构剩余服役寿命的技术，包括基于检测数据的预测和基于风险的评估。 第十二章 先进数值模拟技术在材料力学中的应用 本章介绍支撑现代材料力学研究的强大数值工具： 有限元法（FEM）的最新发展： 讨论自适应网格技术、多尺度建模的FEM应用、以及在复杂几何和边界条件下的求解策略。 损伤力学的数值实现： 讲解如何将各种损伤演化模型耦合到FEM框架中，实现对材料宏观性能退化和局部失效的模拟。 分子动力学（MD）模拟： 介绍MD模拟在原子尺度下研究材料的变形、断裂、扩散等现象的应用，特别是在纳米材料和界面力学研究中的价值。 计算材料设计（Computational Materials Design）： 探讨如何结合材料数据库、机器学习和高性能计算，加速新材料的发现和设计过程，并预测其力学性能。 第十三章 材料力学实验新方法与数据驱动的力学 本章介绍用于表征材料力学行为的先进实验技术和数据分析方法： 高通量实验技术： 介绍自动化、并行化的实验方法，如高通量拉伸试验、纳米压痕阵列等，以快速获取大量材料性能数据。 原位（In-situ）力学测试： 讨论在电子显微镜（SEM, TEM）或X射线衍射（XRD）等设备中进行力学测试，以观察材料在载荷作用下的微观变形、相变和损伤过程。 数字图像相关法（DIC）： 详细介绍DIC技术在测量材料表面变形场和应变场中的应用，以及如何将其与FEM模拟相结合进行模型验证。 数据驱动的材料力学： 探讨如何利用大数据、机器学习和人工智能技术，从海量实验数据中提取材料本构关系、预测材料性能，以及发现新的力学规律。 第十四章 结构健康监测（SHM）与损伤诊断 本章将材料力学知识应用于工程结构的实时监测和诊断： 损伤识别原理： 介绍基于结构振动、声发射、应变测量等方法来识别结构中存在的损伤，如裂纹、松动、腐蚀等。 传感器技术与信号处理： 讨论各种传感器的性能特点，以及信号处理技术在提取有效损伤信息中的作用。 损伤定位与量化： 介绍如何利用信号分析和数值模拟来确定损伤的位置和严重程度。 基于材料力学的预测模型： 探讨如何将材料力学模型与SHM数据相结合，预测损伤的演化趋势，并为结构的维护决策提供依据。 第十五章 未来展望：材料力学的交叉融合与发展趋势 本书的最后一章将目光投向未来，展望材料力学的最新发展方向： 多物理场耦合力学： 强调了材料力学与其他学科（如电学、磁学、热学、化学）的交叉融合，以及多物理场耦合效应在智能材料、新能源材料等领域的重要性。 人工智能与材料力学： 深入探讨AI如何在材料设计、本构模型建立、性能预测、故障诊断等方面发挥颠覆性作用。 绿色与可持续材料的力学： 关注生物可降解材料、再生材料等在工程应用中的力学性能评估和设计。 材料力学与生物工程的融合： 探讨生物材料力学、组织工程中的力学传导等新兴交叉领域。 《现代工程材料力学进展》以其严谨的学术性、前沿的研究内容和系统性的论述，必将成为广大工程技术人员和科研工作者在材料力学领域进行深入学习和探索的宝贵参考。本书不仅为读者提供了理解复杂材料行为的钥匙，更为推动未来工程材料科学的发展贡献了重要力量。
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