Theory of Thermal Stresses pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Boley, Bruno A./ Weiner, Jerome Harris

出品人:

页数:608

译者:

出版时间:2011-11

价格:$ 33.84

装帧:

isbn号码:9780486695792

丛书系列:

图书标签:

• 热应力
• 热胀冷缩
• 材料力学
• 结构力学
• 应力分析
• 热传导
• 工程力学
• 机械工程
• 固体力学
• 温度梯度

现代材料科学中的热力学与结构稳定性研究 一部深入探讨材料在极端热环境下响应与行为的权威著作 本书旨在为研究人员、工程师和高级学生提供一个全面且深入的视角，聚焦于现代工程材料在复杂热载荷和温度梯度下的热力学行为、微观结构演变及其宏观力学响应。与传统的仅关注应力分析的著作不同，本书将热力学基本原理置于结构完整性分析的核心地位，强调了能量耗散、相变动力学以及热扩散与机械应变耦合作用的重要性。 第一部分：热力学基础与能量平衡在材料行为中的作用 本部分构建了理解材料热响应的理论框架。我们首先回顾了非平衡态热力学的基本公设，重点阐述了适用于工程尺度问题的连续介质热力学框架。 第1章：热力学非平衡态与材料本构关系 本章详细阐述了如何将经典的热力学定律（特别是第二定律）应用于描述材料的内部状态变量演化。我们深入分析了耗散函数（Dissipation Function）在定义粘弹性、粘塑性以及蠕变行为中的关键作用。书中引入了基于柯西应力张量和温度梯度场的吉布斯自由能密度函数，并推导了耦合的热力学驱动力方程。特别强调了在高温高应变速率条件下，材料内部微观缺陷（如空位、位错）的产生与迁移如何通过热力学势场的梯度来表征。 第2章：热扩散与相变动力学 本章聚焦于材料内部热量传输的微观机理及其与晶体结构转变的交互作用。傅里叶定律（Fourier’s Law）在高过热度或极低温条件下的适用性受到挑战，因此我们引入了基于介观尺度介数的广义热传导模型，考虑了晶界散射和声子阻尼效应。相变部分，本书采用基于吉布斯能量最小化的经典成核与生长理论（Classical Nucleation and Growth Theory），并扩展至考虑应力场对相界面能影响的热弹性应力诱导相变模型。详细讨论了马氏体转变、析出相等热力学驱动的动力学过程及其对最终材料性能的决定性影响。 第二部分：耦合场理论与宏观结构响应 本部分将热力学理论与固体力学相结合，构建了描述耦合效应的数学模型。 第3章：热弹性力学基础与本构模型 本章系统阐述了热弹性理论，其中位移场、温度场和应力场是相互耦合的。推导了包含热膨胀项的运动方程和能量守恒方程。我们着重分析了热梯度应力（Thermal Gradient Stress）的产生机制，这在快速加热或冷却的部件中尤为关键。此外，对各向异性材料（如复合材料、晶体材料）的热弹性响应进行了深入探讨，使用了正交各向异性材料的热力学本构关系。 第4章：材料的温度依赖性粘塑性与蠕变行为 本章是本书的核心内容之一，专注于材料在高温下的长期和瞬时塑性变形。我们详细分析了基于能量平衡的粘塑性模型，如Perzyna模型和Ohno-Wang模型，并展示了如何通过阿伦尼乌斯（Arrhenius）关系将应变速率与温度联系起来。蠕变分析部分，重点讨论了稳态蠕变（位错攀移和扩散蠕变）和瞬态蠕变的物理机制，并引入了应变加速机制（Strain Acceleration Mechanism），用以更准确地预测超高温服役下的结构寿命。 第5章：热力学损伤与断裂的引入 本章将热载荷导致的材料性能劣化提升到损伤力学的层面进行量化。我们引入了热力学损伤变量 $omega$，该变量与能量耗散率直接相关。详细分析了热疲劳（Thermal Fatigue）过程中的应力松弛和微裂纹萌生。在断裂力学方面，本书没有局限于传统的线弹性断裂，而是发展了热力学驱动的韧致断裂（Toughness Degradation under Thermal Load）模型，其中裂尖附近的热源和应变梯度成为控制裂纹扩展速率的关键参数。 第三部分：高级应用与数值实现 本部分将理论模型应用于实际工程问题，并探讨了现代计算方法在解决复杂热力学问题中的应用。 第6章：特定材料体系的热力学响应实例 本章通过具体的工程案例，验证了前述理论模型的有效性。案例包括： 1. 陶瓷基复合材料（CMC）的热冲击响应： 分析了界面脱粘和基体开裂如何受热扩散率的差异驱动。 2. 镍基单晶高温合金的长期蠕变行为： 结合晶界扩散和位错运动，预测了涡轮叶片在长周期热循环下的失效模式。 3. 高强度钢的热处理过程模拟： 使用热力学驱动的相变模型，精确模拟了淬火和回火过程中残余应力和组织演变。 第7章：有限元方法中的热-力-耦合求解 本章专门论述了在数值模拟中实现高精度热力学耦合计算的挑战和策略。重点讨论了隐式与显式时间积分方案在处理强非线性和瞬态热效应时的优劣。书中提供了针对上述粘塑性模型和损伤模型的一致性（Consistent）切线刚度矩阵的推导，确保了数值解的收敛性和精度。此外，探讨了如何使用XFEM（扩展有限元法）来准确捕捉因热诱导的材料不连续性（如裂纹或相界面）。 --- 本书的特色在于其对热力学基本原理的强调，而非仅仅将温度视为材料参数的简单输入项。它构建了一个完整的、自洽的理论体系，用以解释和预测材料在复杂热环境下从微观到宏观尺度上的所有关键行为，为设计极端服役环境下的高性能结构提供了坚实的理论基础和实用的计算工具。

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