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第1篇 材料科学与工程概论1

第1章 材料科学与工程的提出与内涵3

1 材料是人类社会进步的里程碑3

2 材料科学的形成与内涵4

3 先进材料是社会现代化的先导5

3.1 电子技术的发展5

3.2 光纤通信的诞生5

3.3 航空航天技术的进步6

4 传统材料（基础材料）在国民经济中的地位与可持续发展6

5 材料科学技术发展的重点7

5.1 材料制备工艺与技术的开发7

5.2 材料的应用研究与开发7

5.3 开发先进材料，发展高技术产业7

5.4 材料设计8

5.5 科学仪器与检测装置9

第2章 材料科学基础10

1 材料的结构10

1.1 原子的键合10

1.2 晶态、非晶态及其他12

1.3 晶体缺陷17

1.4 聚合物的典型结构22

2 材料的相变23

2.1 相变热力学简介23

2.2 凝固与熔化23

2.3 固体中的扩散25

2.4 固态相变25

3 材料的力学性质27

3.1 弹性27

3.2 屈服与范性27

3.3 断裂28

3.4 高聚物的黏性流变29

4 材料的其他物理性质29

4.1 基本概念29

4.2 材料的导电性31

4.3 材料的磁性32

4.4 介电性与铁电性34

第3章 基础材料与新材料的现状与发展36

1 概述36

2 钢铁材料36

2.1 分类概况36

2.2 产业现状36

2.3 发展趋势37

3 有色金属材料39

3.1 分类概况39

3.2 产业现状39

3.3 发展趋势40

4 化工材料41

4.1 分类概况41

4.2 产业现状42

4.3 发展趋势42

5 建筑材料42

5.1 分类概况42

5.2 产业现状42

5.3 发展趋势43

6 电子信息材料44

6.1 分类概况44

6.2 产业现状44

6.3 发展趋势45

7 航空航天材料47

7.1 历程与成就47

7.2 航空材料47

7.3 航天材料49

7.4 航空航天关键功能材料51

8 先进陶瓷材料51

8.1 结构陶瓷51

8.2 功能陶瓷54

8.3 生物陶瓷55

8.4 先进陶瓷产业及发展趋势55

9 先进复合材料56

9.1 结构复合材料56

9.2 功能复合材料59

9.3 先进复合材料发展趋势60

10 新能源材料60

10.1 新型二次电池材料60

10.2 燃料电池材料62

10.3 太阳电池材料62

10.4 核能材料64

11 超导材料65

11.1 实用NbTi合金超导材料65

11.2 实用Nb3 Sn超导材料65

11.3 高温氧化物超导材料66

11.4 MgB2超导材料66

11.5 超导材料的应用67

12 纳米材料68

12.1 纳米材料的基本构成和特性68

12.2 纳米材料研究发展的主要方向和内容69

12.3 纳米材料的应用和发展71

13 生物医用材料73

13.1 生物医用材料的基本特性73

13.2 生物医用材料的分类73

13.3 生物医用材料的评价试验和应用发展74

14 生态环境材料75

14.1 生态环境材料的基本概念75

14.2 生态环境材料研究发展的主要方向和内容77

14.3 生态环境材料的研发趋势及应用78

第4章 材料与机械制造81

1 材料在机械制造中的重要性和地位81

2 机械设计过程中选材的几点考虑84

3 在机械设计选材过程中容易出现的几个误区95

4 案例分析96

参考文献102

第2篇 材料成形基础理论103

第1章 材料成形的冶金学原理105

1 材料成形中的流体流动105

1.1 基本概念105

1.2 基本方程106

1.3 流动阻力108

1.4 特殊流体流动109

2 材料成形中的热量传输原理110

2.1 基本概念110

2.2 导热111

2.3 对流换热112

2.4 辐射换热113

3 材料成形中的质量传输原理114

3.1 基本概念和传质微分方程114

3.2 分子传质115

3.3 对流传质115

4 气体-液体-固体之间的界面热力学116

4.1 界面能116

4.2 界面的吸附现象116

4.3 液体对固体的润湿性117

4.4 材料工程与润湿119

5 燃烧反应的热力学及动力学121

5.1 燃料的着火121

5.2 气体燃料的燃烧121

5.3 液体燃料的燃烧122

5.4 固体燃料的燃烧122

5.5 燃烧计算123

6 熔液、熔渣与熔剂的性质123

6.1 溶液的活度123

6.2 熔渣的性质124

6.3 熔剂的性质126

7 氧化还原反应原理126

7.1 氧化反应的氧位图126

7.2 氧化还原热力学条件127

7.3 几种典型的氧化还原反应128

第2章 材料成形分析的力学基础131

1 连续介质力学的基本概念131

2 张量分析基础131

2.1 张量的基本概念131

2.2 张量的定义与约定求和法131

2.3 张量代数132

2.4 张量的梯度、散度和奥高公式132

2.5 各向同性张量132

2.6 二阶张量132

3 运动与变形133

3.1 变形几何学133

3.2 运动学136

4 应力137

4.1 体力和面力137

4.2 柯西应力张量137

4.3 其他应力张量137

4.4 应力速率138

5 基本方程和原理138

5.1 基本方程138

5.2 边值问题与初值问题140

5.3 虚功原理与虚功率原理140

第3章 液态金属的凝固原理142

1 液态金属的结构及特性142

1.1 液态金属的结构142

1.2 液态金属的主要特性143

2 金属材料的凝固生核与长大147

2.1 材料凝固过程中的均质形核和非均质形核147

2.2 固-液界面结构148

2.3 凝固晶粒的长大方式150

3 液态金属凝固过程中的传热151

3.1 液态金属凝固过程中的传热特点151

3.2 非金属型铸造时（如砂型）的凝固传热151

3.3 以界面热阻为主（如金属型铸造）的凝固传热152

4 液态金属凝固过程中的溶质分配152

4.1 单相合金的平衡凝固152

4.2 溶质在固相中不扩散，在液相中充分扩散的凝固152

4.3 溶质在固相不扩散，在液相中有限扩散而无对流的凝固153

4.4 固相中无扩散，液相中有限扩散但有对流的凝固154

5 金属凝固过程中的“成分过冷”现象及胞晶形态154

5.1 “成分过冷”现象及界面生长稳定性判据154

5.2 “成分过冷”对组织形成的影响155

5.3 细胞晶间的溶质分配157

5.4 枝晶臂间距158

6 共晶凝固及包晶凝固159

6.1 共晶组织分类159

6.2 非平衡状态的共晶凝固160

6.3 金属-金属共晶凝固161

6.4 金属-非金属共晶凝固163

6.5 包晶凝固165

7 定向凝固和快速凝固166

7.1 定向凝固166

7.2 快速凝固168

第4章 液态材料流动问题的分析方法173

1 流体的连续介质假设173

2 影响流动特性的基本因素173

2.1 材料的物理属性173

2.2 流动空间的几何特征174

2.3 流体运动的动力学条件174

3 研究流动问题的基本途径174

3.1 总体衡算法174

3.2 微元体衡算法175

3.3 实验观测法176

4 边界层理论176

4.1 边界层概念176

4.2 边界层计算177

5 相似理论与量纲分析178

5.1 流体力学的相似条件179

5.2 黏性流体流动的力学相似准数179

5.3 决定性相似准数180

5.4 量纲分析方法180

第5章 固体材料的本构关系183

1 概述183

1.1 固体材料本构关系的一般原理183

1.2 塑性成形分析中材料的变形和本构关系的选取183

2 弹性本构方程183

2.1 线弹性本构方程183

2.2 超弹性本构方程184

3 弹塑性本构方程185

3.1 概述185

3.2 屈服准则185

3.3 流动法则185

3.4 强化规律186

3.5 常用的塑性本构关系186

3.6 弹塑性问题187

3.7 热弹塑性问题188

4 黏塑性本构方程188

4.1 一维黏塑性模型189

4.2 一般应力状态下的黏塑性本构方程189

4.3 常用的黏塑性模型189

4.4 蠕变问题189

5 塑性细观力学本构关系190

5.1 塑性细观力学的基本概念190

5.2 晶体塑性本构方程190

5.3 细观损伤理论191

5.4 应变梯度塑性理论192

第6章 金属塑性成形中的摩擦194

1 金属塑性成形中的摩擦概论194

1.1 摩擦对金属塑性加工的影响194

1.2 金属塑性加工时摩擦的特点194

1.3 目前计算摩擦应力的二个常用公式194

2 塑性成形中摩擦的分类及机理194

2.1 塑性成形中摩擦的分类194

2.2 摩擦机理195

3 影响摩擦因数的主要因素195

3.1 金属的种类和化学成分195

3.2 模具的表面状态195

3.3 接触面上的单位压力195

3.4 变形温度195

3.5 变形速度196

4 塑性成形中的润滑196

4.1 塑性成形中对润滑剂的要求196

4.2 塑性成形中常用的润滑剂196

4.3 润滑剂中的添加剂197

4.4 塑性成形时的润滑方法197

5 不同塑性成形条件下的摩擦因数197

第7章 金属塑性成形分析的近似解析法199

1 主应力法及其应用199

1.1 主应力法的基本思想199

1.2 主应力法的应用举例199

2 塑性成形问题的滑移线解法200

2.1 平面应变的特性200

2.2 滑移线的定义200

2.3 滑移线场的基本方程200

2.4 滑移线场的特征200

2.5 常见滑移线的类型200

2.6 应用实例201

3 求解塑性成形问题的上限法201

3.1 虚功率原理的新形式201

3.2 间断概念、动可容速度场202

3.3 应力间断202

3.4 速度间断202

3.5 上限法基本方程202

3.6 应用实例203

参考文献204

第3篇 材料成形数值模拟205

第1章 有限差分法207

1 差分原理及逼近误差207

1.1 差分原理207

1.2 逼近误差207

2 差分方程、截断误差和相容性209

3 收敛性与稳定性210

3.1 收敛性210

3.2 稳定性211

4 Lax等价定理213

第2章 弹性问题有限元基本方法214

1 弹性问题有限元方法的一般过程214

1.1 离散化过程214

1.2 单元平衡方程组装过程214

1.3 约束处理过程215

1.4 方程组求解过程217

1.5 应变、应力回代过程220

2 常用单元模型220

2.1 单元模型分类220

2.2 单元模型构造221

2.3 等参单元228

3 线弹性问题几何方程228

3.1 三维问题228

3.2 二维问题228

4 线弹性问题本构方程228

4.1 三维问题228

4.2 二维问题229

5 单元平衡方程列式229

5.1 三角形单元229

5.2 四边形单元230

5.3 空间单元231

6 数值积分232

6.1 Hammer积分232

6.2 Gauss积分232

6.3 数值积分的阶次选择233

第3章 板料成形数值模拟方法235

1 板壳单元235

1.1 薄膜单元235

1.2 薄壳单元235

1.3 中厚壳单元237

1.4 等效弯曲单元239

2 本构方程240

2.1 J2流动理论241

2.2 J2随动强化理论241

2.3 各向异性理论241

3 各向异性屈服函数242

3.1 Hill正交各向异性函数242

3.2 Barlat-Lian屈服函数243

3.3 Barlat六参量正交各向异性屈服函数243

4 工艺条件约束处理244

4.1 罚函数法244

4.2 防御节点法244

4.3 摩擦力的计算246

4.4 板料冲压成形界面滑动约束处理247

5 接触搜索判断247

5.1 工具形状的定义247

5.2 接触判断247

6 板料成形有限元方法248

6.1 非线性方程组迭代解法248

6.2 板料成形全量拉格朗日（TL）有限元方法249

6.3 板料成形修正拉格朗日（UL）有限元方法251

6.4 板料成形虚功率增量型有限元方法252

6.5 板料成形数值模拟算例254

7 板料成形显式有限元方法254

7.1 动力分析的虚功（率）方程254

7.2 动力显式积分算法有限元方程254

7.3 显式时间积分的中心差分算法255

7.4 临界时间步长的确定255

8 板料成形有限元逆算法256

8.1 有限元逆算法基本理论256

8.2 初始场猜测257

8.3 逆算法算例257

第4章 体积成形数值模拟方法259

1 刚塑性有限元法259

1.1 概述259

1.2 刚塑性变分原理261

1.3 刚塑性有限元列式262

1.4 刚黏塑性有限元法263

1.5 体积成形过程关键技术264

1.6 计算实例268

2 弹塑性有限元法269

2.1 小变形弹塑性有限元法269

2.2 有限应变弹塑性有限元分析271

2.3 有限元反向模拟274

3 无网格法275

3.1 概述275

3.2 无网格法基本原理275

3.3 有限元与无网格耦合278

3.4 计算实例278

第5章 铸造成形数值模拟方法280

1 铸造凝固过程温度场数值模拟280

1.1 概述280

1.2 数学模型281

1.3 基于有限差分方法的离散281

1.4 初始条件与边界条件282

1.5 潜热处理283

1.6 温度场数值模拟流程图286

2 铸造充型过程数值模拟286

2.1 概述286

2.2 数学模型287

2.3 数学模型的离散288

2.4 SOLA-VOF方法289

2.5 初始条件与边界条件290

2.6 数值稳定性条件291

2.7 流动与传热耦合计算292

2.8 流动场数值模拟流程图292

第6章 塑料注射成形数值模拟方法294

1 注射成形CAE概述294

1.1 注射成形CAE的概念294

1.2 注射成形CAE的发展概况294

1.3 注射成形CAE的发展趋势294

2 充模过程模拟295

2.1 充模过程的数学描述295

2.2 压力场的计算296

2.3 熔体流动前沿位置的确定297

2.4 温度场数值求解297

2.5 数值计算过程298

3 保压过程模拟298

3.1 保压模拟的重要性298

3.2 保压过程的数学模型298

3.3 塑料熔体的特性模型298

3.4 保压模拟数值计算过程299

4 冷却过程模拟299

4.1 一维冷却分析299

4.2 二维冷却分析300

4.3 三维冷却分析301

5 应力分析302

5.1 基本假设302

5.2 保压过程中的内应力模型302

5.3 冷却过程中的内应力模型303

6 翘曲变形计算304

6.1 翘曲变形计算的基本原理304

6.2 线性翘曲变形有限元分析的数学模型304

6.3 几何非线性翘曲变形有限元分析的数学模型307

7 注射成形模拟技术新进展308

7.1 传统CAE软件的局限性308

7.2 理论与实现308

7.3 软件介绍310

第7章 常用材料成形软件简介311

1 冲压成形模拟软件311

1.1 FASTAMP软件311

1.2 DYNAFORM软件313

1.3 AUTOFORM软件314

2 体积成形模拟软件316

2.1 概述316

2.2 DEFORM软件316

2.3 Marc/AutoForge软件317

3 铸造成形模拟软件320

3.1 使用范围320

3.2 分析内容320

3.3 缺陷预测320

3.4 软件特点320

3.5 软件功能320

3.6 华铸CAE应用实例321

4 塑料注射成形模拟软件322

4.1 常用软件简介322

4.2 注射成形CAE分析结果的指导意义323

4.3 应用实例324

参考文献327

第4篇 材料成形优化设计方法329

第1章 概论331

1 材料成形优化设计方法在现代制造业中的地位和作用331

2 材料成形优化设计方法概述331

2.1 金属体积塑性成形优化设计方法331

2.2 金属板料冲压成形优化设计方法333

2.3 注塑成形优化设计方法333

2.4 铸造成形优化设计方法333

2.5 焊接成形优化设计方法334

3 21世纪材料成形优化设计方法发展展望334

第2章 工程优化设计方法336

1 工程优化设计的数学模型336

2 工程优化问题的迭代算法337

3 无约束优化方法338

3.1 一维搜索方法338

3.2 梯度法339

3.3 牛顿法340

3.4 变尺度法340

4 约束优化方法340

4.1 Lagrange乘子法340

4.2 外部惩罚函数法（外点法）342

4.3 内部惩罚函数法（内点法）343

5 多目标优化问题的解法343

第3章 基于有限元模拟技术的反向模拟式设计344

1 有限元反向模拟技术的原理344

2 反向模拟关键应用技术345

2.1 反向模拟与预成形设计的步骤345

2.2 加工硬化现象的处理346

2.3 预锻模模腔形状设计346

2.4 预锻件形状的选择及工序数目的确定346

2.5 反向模拟过程中动态边界条件的确定346

2.6 有限元反向模拟系统的构造347

3 缩口过程的反向模拟及预成形设计347

3.1 室温缩口过程的预成形设计347

3.2 热缩口成形过程的预成形设计348

4 反向模具接触跟踪方法350

4.1 边界条件的确定350

4.2 工序数目的确定350

4.3 通用透平圆盘锻造过程的预成形设计350

5 基于锻件形状复杂程度的控制准则354

5.1 工件形状复杂系数及边界条件控制准则354

5.2 预成形设计应用举例354

第4章 刚（黏）塑性有限元灵敏度分析与模具优化设计358

1 刚（黏）塑性有限元基本方程358

2 目标函数与设计变量358

3 灵敏度分析359

3.1 节点速度灵敏度359

3.2 ？的确定360

4 速度灵敏度边界条件360

5 温度场灵敏度分析361

6 模具优化设计方法的应用技术362

6.1 模具优化设计步骤362

6.2 体积损失的调整363

6.3 有限元网格再划分365

6.4 提高程序运算速度的方法365

7 少无鼓形圆柱体镦粗过程的优化设计365

8 模具有型腔的锻造过程优化设计366

8.1 H型截面轴对称锻件锻造过程（型腔高径比h/b＝1）366

8.2 H型截面锻件锻造过程（型腔高径比h/b＝2）367

8.3 齿轮坯锻造过程的优化设计368

9 锻件毛坯形状优化设计方法369

9.1 目标函数369

9.2 优化设计实例370

10 锻件变形均匀性优化控制372

10.1 目标函数372

10.2 灵敏度分析372

10.3 应用实例373

第5章 金属塑性成形过程的微观组织优化374

1 微观组织演变模型374

2 金属塑性成形过程微观组织模拟与优化的基本算法374

2.1 遗传算法375

2.2 灵敏度分析方法376

3 微观组织模拟与优化实例376

3.1 H形锻件成形过程组织模拟与优化376

3.2 热挤压成形过程的微观组织模拟与优化377

3.3 基于灵敏度分析方法的微观组织模拟与优化378

3.4 基于遗传算法的微观组织模拟与优化380

第6章 稳态金属成形过程优化设计383

1 稳态成形过程优化设计问题383

2 设计灵敏度分析384

3 二维挤压模具形状优化设计384

4 三维挤压模具形状优化设计386

4.1 设计模型386

4.2 优化实例387

第7章 板料冲压工艺优化设计391

1 板料冲压工艺及其质量要求391

2 板料冲压工艺优化的意义391

3 板料成形常用数学优化方法391

3.1 正交实验法392

3.2 人工神经网络392

3.3 响应面法393

4 冲裁工艺中的毛坯排样优化技术应用393

4.1 冲裁工艺中的排样技术及排样方法393

4.2 提高材料利用率的途径394

4.3 毛坯排样的优化技术应用394

5 弯曲工艺中回弹和下料尺寸控制的优化技术395

5.1 弯曲工艺中下料尺寸控制的优化技术395

5.2 弯曲工艺中回弹控制的优化方法396

6 板料拉深成形中的缺陷控制与工艺优化技术397

6.1 基于增量有限元数值模拟的毛坯下料形状的优化397

6.2 板料拉深成形中的拉深肋设计优化398

6.3 板料拉深成形压边力优化398

6.4 基于正交试验和增量有限元数值模拟的工艺方案优化399

7 激光板料成形过程模拟与优化设计400

7.1 激光板料成形过程的数值模拟400

7.2 基于遗传算法的激光板料成形优化403

8 多点成形技术工艺优化405

8.1 多点成形技术405

8.2 分段成形过渡区最优化问题描述406

8.3 算法描述406

8.4 应用实例406

第8章 塑料注射成形过程的优化设计408

1 成形方案的优化设计408

1.1 浇注系统优化设计408

1.2 冷却系统优化设计409

2 注射成形工艺参数的优化410

3 充填模式优化413

4 注射成形模拟软件及其智能化414

4.1 注射成形模拟软件414

4.2 模拟软件的智能化415

第9章 铸造工艺优化设计417

1 浇注位置417

2 分型面417

3 浇注系统418

3.1 浇注系统的设计原则418

3.2 浇注系统的形式及适用情况418

4 冒口419

4.1 冒口设计优化原则419

4.2 冒口优化的数学模型419

5 铸件结构的优化420

5.1 铸件壁厚及其结构形式的优化420

5.2 不同铸造合金铸件结构的优化原则421

6 铸造工艺的CAD-CAE在铸造工艺优化中的作用422

7 熔炼过程配料的成本优化计算423

7.1 线性规划方法423

7.2 配料计算中线性规划问题的建模423

7.3 配料计算中线性规划问题的标准化424

7.4 使用单纯形法解决配料问题的具体步骤424

第10章 焊接工艺优化设计426

1 焊接材料优化设计426

1.1 焊条配方的优化设计426

1.2 药芯焊丝的计算机辅助优化设计427

1.3 焊剂优化设计427

1.4 埋弧焊焊丝和焊剂优化选配429

2 焊接结构的优化设计431

2.1 焊接变形与焊接应力431

2.2 减小焊接变形与应力的方法432

2.3 焊接结构设计433

2.4 焊缝金属与母材强度匹配的优化选择433

2.5 焊接结构优化设计实例433

3 焊接电源的优化设计434

3.1 弧焊电源优化设计过程434

3.2 晶闸管弧焊电源优化设计实例434

4 焊接方法及焊接规范优化设计435

4.1 焊接方法的分类435

4.2 焊接方法的优化选择435

4.3 CO2气体保护焊焊接规范的优化设计437

5 焊接工程成本分析优化设计437

5.1 焊接工程多阶段决策问题优化设计437

5.2 焊接成本优化分析439

第11章 产品数字化设计与成形工艺仿真优化技术440

1 产品数字化设计方法与平台440

2 产品结构分析与优化技术441

3 产品结构的快速成形与快速模具制造技术442

3.1 快速原型制造技术及其分类442

3.2 快速模具制造技术及其分类442

4 产品构件成形工艺与模具虚拟仿真优化设计技术443

5 产品设计与制造的集成技术应用实例445

参考文献448

第5篇 材料失效分析451

第1章 概论453

1 失效分析预测预防的地位与作用453

2 与安全和失效有关的术语定义453

2.1 安全的定义、内涵和外延453

2.2 与失效有关的术语定义453

3 失效的分类454

4 失效分析预测预防的特点和属性456

4.1 失效、失效分析的特点和属性456

4.2 失效分析预测预防与相关学科、技术之间的关系456

4.3 失效分析预测预防应注意的事项和对人员素质的要求456

4.4 失效分析预测预防的技术工作457

5 失效分析预测预防的步骤和程序458

6 失效分析的预测预防的常用分析思路459

6.1 残骸分析法459

6.2 统计图表分析法460

6.3 文字表格法461

6.4 失效树分析法464

6.5 失效模拟和加速失效模式模拟试验方法468

6.6 失效的事后处理及失效预防468

7 失效分析预测预防的发展趋势474

7.1 失效诊断的理论、技术和方法的进展475

7.2 失效预测的理论、技术和方法的进展477

7.3 失效预防的理论、技术和方法的进展479

8 结束语480

第2章 失效诊断技术和方法481

1 断口诊断技术和方法481

1.1 断口准备481

1.2 断口诊断仪器设备和技术482

1.3 断口形貌诊断技术和方法484

1.4 断口定量诊断技术和方法491

2 裂纹诊断技术和方法496

2.1 裂纹的无损检测497

2.2 裂纹产生先后顺序诊断技术和方法497

2.3 裂纹的形貌诊断497

2.4 裂纹综合诊断500

3 痕迹诊断技术和方法502

3.1 痕迹及痕迹分析概述502

3.2 痕迹的发现和显现技术和方法503

3.3 痕迹的提取、固定、清洗、记录和保存技术和方法503

3.4 痕迹的鉴定503

3.5 痕迹的模拟再现512

3.6 痕迹的综合分析512

4 失效（腐蚀、磨损）产物的诊断技术和方法512

4.1 失效产物的形貌诊断513

4.2 失效产物的成分诊断513

4.3 失效产物的结构诊断513

5 综合诊断技术和方法513

5.1 失效诊断的思路和程序513

5.2 失效模式（性质）诊断技术和方法514

5.3 失效原因诊断技术和方法526

5.4 失效机理诊断技术和方法533

6 智能诊断技术和方法536

6.1 状态监测和故障诊断技术536

6.2 专家系统在诊断中的应用537

6.3 失效案例库及其应用538

第3章 失效预测技术和方法540

1 以失效模式为基础的失效预测技术和方法540

1.1 金属材料失效抗力预测540

1.2 断裂失效预测546

1.3 疲劳断裂失效预测553

1.4 磨损失效预测558

1.5 非金属构件的失效预测564

2 以工程力学为基础的失效预测技术和方法568

2.1 以经典力学为基础的失效预测预防技术和方法568

2.2 以断裂力学为基础的失效预测技术和方法573

2.3 以疲劳力学为基础的失效预测技术和方法576

2.4 以损伤力学为基础的失效预测技术和方法581

3 以数理统计为基础的失效预测技术和方法585

3.1 失效分析概率统计基础585

3.2 失效分析随机过程基础594

3.3 失效分析中随机变量和随机过程的模拟方法598

3.4 断裂失效概率预测600

3.5 疲劳失效概率预测602

3.6 安全系数的统计分析606

4 以可靠性工程为基础的失效预测技术和方法608

4.1 可靠性的基本概念和数学基础608

4.2 静强度可靠性的失效预测技术和方法609

4.3 疲劳寿命可靠性的失效预测技术和方法616

第4章 安全评定技术和方法623

1 概述623

1.1 安全评定的一般原则624

1.2 失效模式的判别624

2 断裂和塑性失效确定性安全评定技术和方法624

2.1 检测及评定程序624

2.2 确定性安全评定方法的分类625

2.3 安全系数的选取和确定626

2.4 平面缺陷的确定性安全评定626

2.5 体积缺陷的确定性安全评定645

3 疲劳失效确定性评定技术和方法649

3.1 材料疲劳性能参数的获取649

3.2 应力变动和累积损伤651

3.3 确定性疲劳评定652

4 其他失效模式的确定性安全评定技术和方法656

4.1 剩余截面超载屈服656

4.2 破裂前的泄漏分析（LBB）656

4.3 环境的影响657

4.4 失稳（或变形过大，压曲）660

4.5 蠕变660

5 概率安全评定方法661

5.1 安全评定分析中不确定性影响因素661

5.2 含裂纹结构缺陷的统计方法662

5.3 静载下（含平面缺陷）概率安全评定方法664

5.4 疲劳载荷下概率安全评定方法665

6 工业风险评估及其主要方法和应用667

6.1 概述667

6.2 风险评估的主要任务668

6.3 风险评估的主要方法670

6.4 风险评估的主要应用672

6.5 风险评估近年来的主要进展674

7 安全评定技术的其他发展趋势675

7.1 安全评定技术的发展趋势675

7.2 模糊安全评定技术675

7.3 智能安全评定技术676

第5章 失效预防技术和方法677

1 失效的工程预防技术和方法677

1.1 抗断裂失效设计技术677

1.2 制造工艺及质量控制技术678

1.3 表面防护与强化工艺技术680

1.4 故障监测与检测技术682

1.5 故障排除与修理技术683

2 抗失效的材料选择和材料设计技术与方法685

2.1 抗变形失效材料的选择和设计方法685

2.2 抗断裂失效材料的选择和设计方法687

2.3 抗腐蚀失效材料的选择和设计方法690

2.4 抗磨损失效材料的选择和设计方法692

3 抗失效的机械设计技术和方法697

3.1 抗脆断设计技术和方法697

3.2 抗韧断设计技术和方法700

3.3 抗疲劳设计技术和方法700

3.4 抗环境失效设计技术和方法706

4 可靠性设计技术和方法707

4.1 可靠性设计基本概念707

4.2 可靠性设计方法711

4.3 可靠性设计的步骤713

参考文献715

第6篇 材料强度设计717

第1章 概论719

1 强度设计的目的与作用719

2 材料强度设计方法720

2.1 常规强度理论720

2.2 现代机械强度理论720

第2章 材料静强度设计721

1 材料的静载拉伸特性721

1.1 材料的力学特性和软性系数721

1.2 静载拉伸试验721

1.3 拉伸曲线721

1.4 几种典型的应力-应变曲线722

2 材料的力学性能指标及其影响因素722

2.1 强度指标722

2.2 塑性指标723

2.3 材料强度、塑性与韧性的合理配合724

3 材料的弯曲特性724

3.1 静弯曲试验的特点724

3.2 材料弯曲的力学性能指标725

3.3 弯曲试验的应用725

4 材料的扭转特性725

4.1 静扭转试验的特点725

4.2 材料扭转的力学性能指标726

5 材料的压缩特性727

6 缺口对静加载下力学性能的影响728

6.1 缺口效应728

6.2 应变集中和缺口截面应力分布的变化728

6.3 缺口静拉伸及斜拉伸试验729

7 材料静强度设计的一般方法730

7.1 强度判据730

7.2 静应力下的安全系数730

7.3 复杂应力状态下的强度理论731

第3章 材料的断裂韧度设计733

1 材料断裂韧度设计概要733

2 断裂力学原理与方法733

2.1 裂纹的基本类型733

2.2 应力强度因子与断裂判据734

2.3 确定应力强度因子的方法737

2.4 材料断裂韧度746

2.5 弹塑性断裂力学的基本理论与判据746

3 裂纹扩展计算747

3.1 疲劳裂纹扩展速率的基本公式747

3.2 超载延迟效应对疲劳裂纹扩展的影响748

3.3 恒幅疲劳载荷下的裂纹扩展寿命计算748

3.4 变幅疲劳载荷下的裂纹扩展寿命计算748

3.5 应力腐蚀裂纹扩展寿命计算748

3.6 腐蚀疲劳裂纹扩展寿命749

3.7 剩余寿命计算示例749

4 断裂韧度设计结构类型及设计要求750

4.1 断裂韧度设计结构类型的选择原则750

4.2 危险部位的选择750

4.3 实际缺陷与当量裂纹751

4.4 断裂判据751

4.5 剩余强度分析755

4.6 工程实际问题的简化处理方法755

5 破损安全结构断裂控制756

5.1 结构布局756

5.2 材料选择756

5.3 细节设计756

5.4 裂纹检测757

第4章 材料冲击强度设计758

1 冲击载荷作用下材料的力学响应758

2 冲击载荷下材料的损伤和破坏758

3 材料的应变率响应760

3.1 复合材料的高应变率响应760

3.2 金属材料的应变率响应761

4 材料在冲击载荷作用下的性能指标763

4.1 动态断裂韧性763

4.2 冲击试验和冲击性能指标763

第5章 材料疲劳强度设计765

1 概述765

1.1 疲劳的分类765

1.2 疲劳强度设计方法765

2 疲劳强度设计中的参量及处理766

2.1 疲劳载荷766

2.2 材料疲劳性能数据767

3 影响材料疲劳强度的因素783

3.1 应力集中影响783

3.2 尺寸的影响799

3.3 表面状况影响800

3.4 载荷状况803

4 常规疲劳强度设计805

4.1 安全系数806

4.2 疲劳损伤累积809

4.3 无限寿命设计810

4.4 有限寿命设计811

5 现代疲劳强度设计813

5.1 ε-N曲线813

5.2 循环σ-ε曲线815

5.3 应变-寿命曲线的获得与低周疲劳寿命估算818

5.4 局部应力应变分析820

5.5 裂纹形成寿命的估算822

6 接触疲劳强度设计824

6.1 接触疲劳失效机理824

6.2 接触应力824

6.3 接触疲劳强度计算825

第6章 材料强度概率设计827

1 强度概率设计原理827

1.1 概率设计的特点与步骤827

1.2 应力-强度分布干涉理论与可靠度的一般表达式827

1.3 应力分布的确定827

1.4 随机变量函数的均值和标准差的近似计算828

1.5 强度分布的确定829

1.6 已知应力和强度分布时的可靠度计算829

2 概率设计常用的随机变量及其分布830

2.1 分布特征830

2.2 正态分布831

2.3 对数正态分布832

2.4 威布尔（Weibull）分布833

2.5 Ⅰ型极值分布（Gumbel分布）833

2.6 x2分布、F分布和t分布834

3 参数估计835

3.1 截尾数据835

3.2 极大似然估计836

3.3 风险图836

3.4 概率图836

3.5 矩估计836

3.6 指数分布参数估计836

3.7 正态分布838

3.8 对数正态分布841

3.9 威布尔分布841

3.10 选择恰当的分布函数的意义843

4 随机变量分布类型的假设检验844

4.1 分布类型的假设检验844

4.2 正态及对数正态分布的分析法847

4.3 威布尔分布的分析法856

5 静强度概率设计方法867

5.1 静强度概率设计的特点、内容与方法867

5.2 应力-强度干涉模型与失效概率计算867

5.3 蒙特卡罗方法868

5.4 有多种失效模式的失效概率870

5.5 可靠度的置信度和置信区间870

第7章 材料的环境强度设计887

1 材料的高温强度887

1.1 高温短时拉伸强度887

1.2 高温硬度888

1.3 蠕变及持久强度888

1.4 高温疲劳889

2 材料的低温强度897

2.1 低温脆断897

2.2 低温疲劳899

3 材料热疲劳强度901

3.1 热应力与热疲劳901

3.2 热疲劳强度计算901

4 材料在腐蚀介质中的强度903

4.1 应力腐蚀开裂903

4.2 腐蚀疲劳904

第8章 特殊材料的强度问题913

1 复合材料913

2 聚合物913

2.1 聚合物的结构特点与力学状态913

2.2 聚合物的时间效应和时-温等效原理915

2.3 聚合物的力学性能916

3 陶瓷材料919

3.1 陶瓷材料的弹性性能919

3.2 陶瓷材料的强度及其影响因素921

3.3 陶瓷材料的断裂韧度922

3.4 陶瓷材料的抗热震性923

3.5 陶瓷材料的疲劳924

3.6 陶瓷材料的短裂纹行为924

参考文献925