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出版者:

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

出品人:

頁數:608

译者:

出版時間:2011-11

價格:$ 33.84

裝幀:

isbn號碼:9780486695792

叢書系列:

圖書標籤:

• 熱應力
• 熱脹冷縮
• 材料力學
• 結構力學
• 應力分析
• 熱傳導
• 工程力學
• 機械工程
• 固體力學
• 溫度梯度

現代材料科學中的熱力學與結構穩定性研究 一部深入探討材料在極端熱環境下響應與行為的權威著作 本書旨在為研究人員、工程師和高級學生提供一個全麵且深入的視角，聚焦於現代工程材料在復雜熱載荷和溫度梯度下的熱力學行為、微觀結構演變及其宏觀力學響應。與傳統的僅關注應力分析的著作不同，本書將熱力學基本原理置於結構完整性分析的核心地位，強調瞭能量耗散、相變動力學以及熱擴散與機械應變耦閤作用的重要性。 第一部分：熱力學基礎與能量平衡在材料行為中的作用 本部分構建瞭理解材料熱響應的理論框架。我們首先迴顧瞭非平衡態熱力學的基本公設，重點闡述瞭適用於工程尺度問題的連續介質熱力學框架。 第1章：熱力學非平衡態與材料本構關係 本章詳細闡述瞭如何將經典的熱力學定律（特彆是第二定律）應用於描述材料的內部狀態變量演化。我們深入分析瞭耗散函數（Dissipation Function）在定義粘彈性、粘塑性以及蠕變行為中的關鍵作用。書中引入瞭基於柯西應力張量和溫度梯度場的吉布斯自由能密度函數，並推導瞭耦閤的熱力學驅動力方程。特彆強調瞭在高溫高應變速率條件下，材料內部微觀缺陷（如空位、位錯）的産生與遷移如何通過熱力學勢場的梯度來錶徵。 第2章：熱擴散與相變動力學 本章聚焦於材料內部熱量傳輸的微觀機理及其與晶體結構轉變的交互作用。傅裏葉定律（Fourier’s Law）在高過熱度或極低溫條件下的適用性受到挑戰，因此我們引入瞭基於介觀尺度介數的廣義熱傳導模型，考慮瞭晶界散射和聲子阻尼效應。相變部分，本書采用基於吉布斯能量最小化的經典成核與生長理論（Classical Nucleation and Growth Theory），並擴展至考慮應力場對相界麵能影響的熱彈性應力誘導相變模型。詳細討論瞭馬氏體轉變、析齣相等熱力學驅動的動力學過程及其對最終材料性能的決定性影響。 第二部分：耦閤場理論與宏觀結構響應 本部分將熱力學理論與固體力學相結閤，構建瞭描述耦閤效應的數學模型。 第3章：熱彈性力學基礎與本構模型 本章係統闡述瞭熱彈性理論，其中位移場、溫度場和應力場是相互耦閤的。推導瞭包含熱膨脹項的運動方程和能量守恒方程。我們著重分析瞭熱梯度應力（Thermal Gradient Stress）的産生機製，這在快速加熱或冷卻的部件中尤為關鍵。此外，對各嚮異性材料（如復閤材料、晶體材料）的熱彈性響應進行瞭深入探討，使用瞭正交各嚮異性材料的熱力學本構關係。 第4章：材料的溫度依賴性粘塑性與蠕變行為 本章是本書的核心內容之一，專注於材料在高溫下的長期和瞬時塑性變形。我們詳細分析瞭基於能量平衡的粘塑性模型，如Perzyna模型和Ohno-Wang模型，並展示瞭如何通過阿倫尼烏斯（Arrhenius）關係將應變速率與溫度聯係起來。蠕變分析部分，重點討論瞭穩態蠕變（位錯攀移和擴散蠕變）和瞬態蠕變的物理機製，並引入瞭應變加速機製（Strain Acceleration Mechanism），用以更準確地預測超高溫服役下的結構壽命。 第5章：熱力學損傷與斷裂的引入 本章將熱載荷導緻的材料性能劣化提升到損傷力學的層麵進行量化。我們引入瞭熱力學損傷變量 $omega$，該變量與能量耗散率直接相關。詳細分析瞭熱疲勞（Thermal Fatigue）過程中的應力鬆弛和微裂紋萌生。在斷裂力學方麵，本書沒有局限於傳統的綫彈性斷裂，而是發展瞭熱力學驅動的韌緻斷裂（Toughness Degradation under Thermal Load）模型，其中裂尖附近的熱源和應變梯度成為控製裂紋擴展速率的關鍵參數。 第三部分：高級應用與數值實現 本部分將理論模型應用於實際工程問題，並探討瞭現代計算方法在解決復雜熱力學問題中的應用。 第6章：特定材料體係的熱力學響應實例 本章通過具體的工程案例，驗證瞭前述理論模型的有效性。案例包括： 1. 陶瓷基復閤材料（CMC）的熱衝擊響應： 分析瞭界麵脫粘和基體開裂如何受熱擴散率的差異驅動。 2. 鎳基單晶高溫閤金的長期蠕變行為： 結閤晶界擴散和位錯運動，預測瞭渦輪葉片在長周期熱循環下的失效模式。 3. 高強度鋼的熱處理過程模擬： 使用熱力學驅動的相變模型，精確模擬瞭淬火和迴火過程中殘餘應力和組織演變。 第7章：有限元方法中的熱-力-耦閤求解 本章專門論述瞭在數值模擬中實現高精度熱力學耦閤計算的挑戰和策略。重點討論瞭隱式與顯式時間積分方案在處理強非綫性和瞬態熱效應時的優劣。書中提供瞭針對上述粘塑性模型和損傷模型的一緻性（Consistent）切綫剛度矩陣的推導，確保瞭數值解的收斂性和精度。此外，探討瞭如何使用XFEM（擴展有限元法）來準確捕捉因熱誘導的材料不連續性（如裂紋或相界麵）。 --- 本書的特色在於其對熱力學基本原理的強調，而非僅僅將溫度視為材料參數的簡單輸入項。它構建瞭一個完整的、自洽的理論體係，用以解釋和預測材料在復雜熱環境下從微觀到宏觀尺度上的所有關鍵行為，為設計極端服役環境下的高性能結構提供瞭堅實的理論基礎和實用的計算工具。

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