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出版者:机械工业

作者:束德林 编

出品人:

页数:240

译者:

出版时间:2011-5

价格:32.00元

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isbn号码:9787111120377

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《金属材料的失效分析与预防》 本书深入探讨了金属材料在各种工程应用中所面临的失效现象，系统阐述了失效的机理、失效模式的识别，并提供了全面的失效预防策略。通过对大量实际工程案例的分析，本书旨在帮助读者理解材料失效的根源，掌握评估材料剩余寿命的方法，并学会如何通过合理的设计、严谨的制造工艺以及有效的维护保养来避免灾难性的失效发生。 第一部分：失效机理与类型 疲劳失效： 基本概念与应力循环： 介绍疲劳的定义，单轴、多轴以及变幅应力循环对材料性能的影响。 疲劳裂纹萌生与扩展： 详细讲解裂纹是如何在材料表面或内部萌生，以及在循环载荷作用下逐步扩展直至断裂的过程。涉及表面缺陷、应力集中、微观组织等因素的作用。 S-N曲线与疲劳极限： 阐述应力-寿命（S-N）曲线的意义，不同材料的S-N特性，以及疲劳极限的概念和测定方法。 应力腐蚀裂纹（SCC）与氢致开裂： 探讨环境因素（如腐蚀介质、氢原子）与应力协同作用导致的失效模式，分析其发生条件、影响因素及危害。 蠕变与蠕变断裂： 讲解材料在高温、恒定载荷下发生的缓慢塑性变形（蠕变）及其最终断裂的原因。分析蠕变速率的影响因素，如温度、应力、材料成分及微观结构。 断裂失效： 脆性断裂与韧性断裂： 对比分析脆性断裂（如闪断）和韧性断裂（如剪切断口）的宏观和微观特征，以及其对应的力学行为。 断裂韧性： 介绍断裂韧性的概念，如KIC（平面应变断裂韧度），以及其在预测材料抗裂纹扩展能力中的作用。 应力强度因子： 讲解应力强度因子（K）的概念，及其与裂纹尺寸、载荷大小的关系，并说明其在断裂分析中的应用。 疲劳裂纹尖端的塑性区： 分析疲劳裂纹尖端的应力状态和塑性变形，以及其对裂纹扩展速率的影响。 塑性变形与屈服： 屈服准则： 介绍不同屈服准则（如冯·米塞斯屈服准则、摩尔-库仑屈服准则）及其适用范围。 过屈服与应变硬化： 讨论材料在超过屈服强度后发生的塑性变形，以及应变硬化现象。 应力松弛： 解释在恒定应变下，材料应力随时间降低的现象，以及其对结构承载能力的影响。 高温失效： 氧化与腐蚀： 阐述金属材料在高温环境下与氧化剂（如氧气）或腐蚀介质发生化学反应导致性能退化的机制。 晶界滑移与晶粒粗化： 分析高温下晶粒界面的行为，如晶界滑移导致的宏观变形，以及晶粒粗化对材料强度的影响。 高温蠕变与热疲劳： 结合蠕变与疲劳，讲解材料在交变温度和载荷下的复杂失效行为。 其他失效模式： 磨损： 阐述磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损等不同磨损机制及其对材料表面的影响。 冲蚀： 讲解颗粒流体冲击材料表面造成的损伤。 疲劳腐蚀： 探讨疲劳与腐蚀协同作用下导致的加速失效。 第二部分：失效分析技术与方法 宏观断口分析： 断口形貌观察： 学习识别和解读不同失效模式下的宏观断口特征，如疲劳辉纹、放射状纹、剪切唇、韧窝等。 断口宏观测量： 测量裂纹起始点、扩展区域、最终断裂区域的尺寸，以及缺陷的大小和形状。 微观断口分析： 扫描电子显微镜（SEM）技术： 掌握利用SEM观察断口微观形貌，识别韧窝、解理台阶、疲劳条痕等微观特征。 能量色散X射线光谱（EDS）分析： 学习利用EDS分析断口表面的化学成分，识别夹杂物、腐蚀产物或低熔点共晶物等。 透射电子显微镜（TEM）技术： 了解TEM在观察材料内部位错结构、相分布以及析出物方面的应用，进一步揭示失效机理。 金相检验： 金相样品制备： 掌握金相试样的研磨、抛光、腐蚀等制备过程。 显微组织观察： 分析晶粒尺寸、形状、晶界特征、第二相分布、夹杂物类型和尺寸等微观结构信息，评估其与材料性能的关系。 相分析与晶体学研究： 运用XRD等技术分析材料的晶体结构、相组成，以及相变对材料性能的影响。 无损检测（NDT）技术： 超声波检测（UT）： 学习利用超声波检测材料内部的裂纹、缺陷和壁厚变化。 射线检测（RT）： 掌握X射线和γ射线检测技术，识别材料内部的疏松、裂纹、夹杂等。 磁粉检测（MT）与渗透检测（PT）： 学习表面缺陷的检测方法，如磁粉检测用于铁磁性材料，渗透检测用于非磁性材料。 涡流检测（ET）： 了解涡流检测在检测表面和近表面缺陷、材料表面涂层厚度测量等方面的应用。 力学性能测试： 拉伸试验： 测量材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率等。 冲击试验： 评估材料在低应变速率下的韧性，如夏比（Charpy）冲击试验。 硬度试验： 了解材料的硬度与其强度、耐磨性等性能的关系。 疲劳性能试验： 进行不同应力水平下的循环加载试验，获取S-N曲线。 蠕变试验： 测试材料在高温、恒定载荷下的应变速率和断裂时间。 第三部分：失效预防策略与工程应用 材料选择与设计： 基于服役环境的材料选型： 针对不同的工作温度、载荷条件、腐蚀介质等，选择合适的金属材料。 考虑应力集中： 在结构设计中，避免尖角、缺口等应力集中点，优化几何形状。 余热考虑与蠕变设计： 在高温环境下，充分考虑蠕变效应，进行合理的结构设计和材料选型。 引入断裂力学： 在关键结构件设计中，应用断裂力学原理，确定许用裂纹尺寸和安全裕度。 制造工艺控制： 热处理优化： 调整热处理工艺（如退火、正火、淬火、回火）以获得理想的微观组织和力学性能。 焊接与连接工艺： 优化焊接参数，避免焊接缺陷（如裂纹、气孔），控制焊接接头的组织和性能。 表面处理技术： 采用渗碳、渗氮、表面淬火、涂层等技术，提高材料表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性。 减少内应力： 通过合理的加工顺序、热处理等手段，降低材料内部残余应力。 质量控制与检验： 原材料检验： 对进厂原材料进行严格的化学成分、力学性能、微观组织等检验。 半成品与成品检验： 在生产过程中，对中间产品和最终产品进行必要的尺寸、外观、内部缺陷检测。 服役期定期检测： 对已投入使用的设备和结构进行定期无损检测和性能评估，及时发现潜在失效风险。 维护与管理： 腐蚀防护： 采取防腐蚀涂层、牺牲阳极、电化学保护等措施，减缓腐蚀速率。 润滑与密封： 确保运动部件得到充分润滑，防止磨损和早期失效。 温度与载荷监控： 实时监测设备的工作温度和载荷，避免超载和过热。 定期维护与更换： 根据设备的使用寿命和检测结果，制定合理的维护计划和部件更换周期。 案例研究与经验总结： 典型失效案例分析： 深入剖析工业生产中发生的典型金属材料失效案例，总结失效原因、后果及教训。 经验反馈与技术改进： 将失效分析结果反馈到材料选择、设计、制造和使用过程中，不断改进技术和管理水平，提高工程结构的可靠性和安全性。 本书内容严谨，图文并茂，适合材料科学、机械工程、航空航天、能源、化工等领域的工程师、科研人员及高等院校相关专业的师生阅读参考。通过学习本书，读者将能够深刻理解金属材料的失效本质，有效提升其在工程实践中的失效分析能力与失效预防水平。

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这本书的配套资源也做得相当到位，我指的是书中穿插的“工程实例剖析”板块。这些案例不是那种生硬的理论应用题，而是真实发生的、具有启发性的工程事故或设计挑战。比如，书中详细解析了一个高压管道在交变载荷下的应力腐蚀开裂案例，从材料的化学成分缺陷、制造过程中的残余应力，到服役环境的氯离子浓度，作者层层剥茧，将材料、载荷和环境这三个关键因素有机地联系起来，清晰地展示了材料性能的“失效路径”。这种将微观材料行为与宏观结构失效紧密耦合的叙事方式，极大地增强了阅读的沉浸感和知识的迁移能力。读完这些实例后，我感觉自己对“材料设计”的理解不再局限于选择特定牌号的钢材，而是上升到了对整个系统性能的综合考量，这本书真正教会了我如何像一个材料工程师那样去思考问题。

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老实说，我本来对这类偏理论的书籍抱有很高的戒心，因为很多教材要么过于晦涩难懂，要么就是把所有内容堆砌在一起，让人抓不住重点。然而，这本书完全打破了我的固有印象。它在理论推导部分的处理方式堪称教科书级别的典范。作者并非简单地罗列公式，而是花了大量的篇幅去解释每一个参数的物理意义，以及推导过程中所依赖的基本假设。举例来说，在讲解胡克定律的各向异性扩展时，作者通过引入应力张量和应变张量的具体分量形式，并结合晶体结构对弹性模量的影响，构建了一个完整而自洽的力学模型。对于那些数学基础稍弱的读者，书中还贴心地附录了必要的张量分析基础知识，确保读者不会因为工具层面的不足而滞留在概念理解的门槛前。这种“授人以渔”的教学方法，远比单纯的公式灌输要高明得多，它培养的是一种独立分析和解决问题的思维框架，这才是工程教育的精髓所在。

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这本书的装帧设计相当考究，封面采用了一种沉稳的深蓝色调，配上烫金的书名和作者信息，初拿到手时就给人一种厚重、专业的印象。纸张的质感也值得称赞，摸上去光滑细腻，印刷清晰度极高，即便是最细小的图表和公式，也丝毫没有模糊不清的感觉。翻开内页，目录结构清晰得令人赞叹，章节划分逻辑性强，从基础的应力应变概念，逐步深入到材料的拉伸、压缩、剪切等基本力学行为，再到复杂的疲劳和蠕变问题，整个知识体系的构建是层层递进、循序渐进的。尤其是书中对各种实验方法的描述，配有大量的实物图片和示意图，让读者仿佛置身于实验室中，直观地理解了力学性能是如何被测定和表述的。这种对细节的极致追求，体现了编者在材料科学领域深厚的学术功底和对教学质量的极高要求。我尤其欣赏作者在引入新概念时，总是先从实际工程案例入手，将抽象的力学原理与我们日常可见的结构失效现象联系起来，极大地激发了初学者探索的兴趣。

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这本书最让我感到惊艳的，是它对“失效分析”这一核心主题的处理深度和广度。很多材料力学教材往往止步于弹性范围内的分析，对于材料在长期载荷作用下的行为研究相对薄弱。而这本《工程材料力学性能》，却将疲劳、断裂韧性、以及高温下的蠕变现象作为重要的独立章节来阐述，并且紧密结合了实际工程中的关键结构，比如桥梁的疲劳损伤、航空发动机叶片的抗蠕变设计等。书中对断裂过程中的裂纹尖端塑性区、应力强度因子（K值）的计算方法进行了详尽的讲解，甚至引入了基于有限元分析（FEA）的数值模拟结果作为辅助说明，这使得理论知识和现代工程实践的结合达到了一个前所未有的高度。对于一个致力于结构安全和寿命预测的工程师而言，这本书提供的知识深度是极其宝贵的，它不仅仅告诉你“为什么会断”，更重要的是告诉你“如何去避免断裂”。

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我个人最欣赏的特点是，作者在全书的行文风格中保持了一种难得的冷静和客观性，既没有过度夸大某些新材料的性能，也没有对传统材料的局限性进行不必要的贬低。叙述语言精确、严谨，几乎没有使用任何口语化或情绪化的表达。例如，在对比不同合金钢的韧脆转变温度时，作者仅仅是列出了详细的实验数据曲线，并用简洁的文字解释了微观组织（如晶界尺寸、夹杂物分布）如何影响低温脆性，让读者自己去判断和权衡材料的选择。这种尊重事实、依赖数据的态度，对于培养未来的工程师至关重要。此外，书中对各种测试标准的引用也非常规范，无论是ASTM还是ISO标准，都有清晰的标注，这对于需要进行国际贸易和标准对标的专业人士来说，无疑是提供了极大的便利，极大地提升了这本书的实用价值和权威性。

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