固体与软物质缺陷与断裂理论基础(上册）pdf/txt下载_在线阅读全文

内容简介

　　《固体与软物质缺陷与断裂理论基础.上册》是原《断裂理论基础》一书的修正与扩充版, 着眼于缺陷的演化而不仅仅局限于裂纹问题, 材料则从固体扩充到软物质. 原第1 章内容得到很大的扩充. 原第2-6 章被保存下来. 这6 章构成现在的上册,以传统材料(结构材料) 的缺陷与断裂理论为主. 非传统材料的缺陷与断裂研究,构成现在下册的主要内容, 其中把理论(凝聚态)物理学中著名的Landau 理论引入这一领域是一个初步的尝试. 另外, 《固体与软物质缺陷与断裂理论基础.上册》的金属泡沫材料, 液晶, 固体准晶和软物质准晶的缺陷与断裂理论及计算结果为著者和他的学生们所发展和发现, 其中包括对势论, (多重调和与多重准调和)高阶偏微分方程, 应用复分析等数学方法的发展, 上述内容也是第一次在同类专著中报导. 下册还包含了复杂的偏微分方程(组) 边值问题求解的数学推导和精确解析解的确定的丰富翔实的补充细节. 理论在科学和工程中实际应用的若干实例也在下册中进行了详细介绍.

目　　录

(上册)
前言
绪论
第1章缺陷的应力分析基础
　1.1 受拉伸或内压的平面孔洞或裂纹问题
　　1.1.1 远处受拉伸的椭圆孔
　　1.1.2 椭圆孔边受均匀内压
　　1.1.3 椭圆孔边一段上受均布压力或受集中力作用
　　1.1.4 受拉伸或内压的Griffith裂纹
　　1.1.5 半无限裂纹
　　1.1.6 曲边多角形缺陷
　1.2 平面孔洞或裂纹的面内剪切
　　1.2.1 远处受均匀剪切应力作用的椭圆孔
　　1.2.2 椭圆孔边均匀剪切应力作用

(上册) 
前言 
绪论 
第1章 缺陷的应力分析基础 
　1.1 受拉伸或内压的平面孔洞或裂纹问题 
　　1.1.1 远处受拉伸的椭圆孔 
　　1.1.2 椭圆孔边受均匀内压 
　　1.1.3 椭圆孔边一段上受均布压力或受集中力作用 
　　1.1.4 受拉伸或内压的Griffith裂纹 
　　1.1.5 半无限裂纹 
　　1.1.6 曲边多角形缺陷 
　1.2 平面孔洞或裂纹的面内剪切 
　　1.2.1 远处受均匀剪切应力作用的椭圆孔 
　　1.2.2 椭圆孔边均匀剪切应力作用 
　　1.2.3 受面内剪切的Grifflth裂纹 
　　1.2.4 半无限裂纹其一段表面上受剪切 
　1.3 反平面或纵向剪切的孔洞或裂纹 
　　1.3.1 Griffith裂纹问题 
　　1.3.2 半无限裂纹 
　1.4 复势法的若干发展 
　　1.4.1 超越函数保角映射和有限尺寸裂纹体的精确解 
　　1.4.2 有限高狭长体中的半无限裂纹 
　　1.4.3 有限高度狭长体中的双裂纹 
　　1.4.4 有限宽度狭长体中的裂纹 
　　1.4.5 四重调和方程和二维准晶裂纹问题的复分析 
　　1.4.6 六重调和方程和三维准晶裂纹问题的复分析 
　1.5 基于Westergaard方法的裂纹解 
　1.6 化成Riemann—Hilbert问题求解 
　　1.6.1 复势的结构 
　　1.6.2 例 
　1.7 裂纹面的位移 
　1.8 平面裂纹解的一般结构——Williams特征展开 
　1.9 缺陷问题的积分变换解 
　　1.9.1 受内压作用的Griffith裂纹 
　　1.9.2 受剪切作用的Griffith裂纹 
　　1.9.3 半无限平面的边界裂纹 
　1.10 Fourier方法的若干发展 
　　1.10.1 二维准晶的裂纹 
　　1.10.2 三维准晶的裂纹 
　1.11 位错的应力分析 
　　1.11.1 普通晶体刃型位错的应力分析 
　　1.11.2 螺型位错的应力分析 
　　1.11.3 二维准晶的位错 
　　1.11.4 三维准晶的位错 
　1.12 小结 
第2章 线性弹性断裂力学 
　2.1 断裂模式和裂纹的渐近应力与位移场 
　　2.1.1 Ⅰ型Griffith裂纹的渐近应力场 
　　2.1.2 Ⅱ型Griffith裂纹的渐近应力场 
　　2.1.3 Ⅲ型Griffith裂纹的渐近应力场 
　　2.1.4 渐近位移场. 
　2.2 应力强度因子和断裂判据 
　2.3 应力强度因子——定义与实例 
　　2.3.1 定义和基本应力强度因子 
　　2.3.2 由复势确定应力强度因子 
　　2.3.3 实例 
　2.4 有限尺寸裂纹体的应力强度因子 
　　2.4.1 有限高狭长体中的裂纹，在其一段裂纹面上受内压 
　　2.4.2 有限高狭长体中的裂纹，裂纹面的一段上受剪切 
　　2.4.3 有限高狭长体中的双裂纹，裂纹面上一段受均匀压应力或均匀剪应力作用 
　　2.4.4 有限宽板单边裂纹 
　2.5 确定应力强度因子的其他方法 
　　2.5.1 Westergaard方法 
…… 
第3章 三维裂纹问题和线性弹性断裂力学的应用 
第4章 结构材料非线性断裂力学——材料非线性效应的处理 
第5章 断裂动力学——惯性效应的处理 
第6章 数值方法及其应用 
(下册) 
第7章 若干非传统材料理论的预备知识 
第8章 多胞／泡沫金属材料的缺陷与断裂理论 
第9章 液晶的缺陷与断裂理论探索 
第10章 固体准晶材料缺陷与断裂理论 
第11章 软物质准晶缺陷与断裂理论 
第12章 聚合物的缺陷与断裂研究简介 
第13章 材料分离机制的多层次、多尺度研究 
第14章 应用实例详细讨论 
附录一　固体与软物质弹性、塑性和流体动力学基本关系 
名词索引

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在线试读部分章节

　　绪论
　　材料或结构物在外力或其他因素作用下发生破裂,这是日常生活、工程与自然界中的一个普通现象.看起来如此简单的一个现象,其物理本质迄今并未完全认识透彻.由于材料的发展,这一问题对人们的吸引力正在进一步加大.
　　从物理和力学的角度去分析这一现象已进行将近一个世纪的努力.物理学家思考为什么晶体的理论强度与实际强度差别几个数量级?而固体力学则从宏观的角度,观察分析工程材料与结构的失效,以便提供理论与判据为工程服务.工程师关心材料或结构在什么部位、在多大的外力下会发生断裂?在较早阶段,人们由于不了解工程材料与结构失效的真正原因,认为循环外应力作用使材料与结构破坏是“疲劳”所造成的,从而积累了一些经验去估计在什么时候(即循环多少次)会发生断裂.在断裂力学诞生之前,由于经验的积累和力学与材料科学工作者的努力,提出了四个强度理论.根据这些理论,在分析结构安全性时,不仅要计算结构内的应力和变形,还要测定相应的材料性能的常数.这些常数包括屈服极限(又称屈服强度)σs、断裂极限(又称为断裂强度)σb、延伸率δ和冲击韧性αk.有时还需要截面收缩率ψ,在循环加载下需要疲劳极限σr.在这4个参数中,σs与σb为强度指标,δ与αk为韧性指标.经验表明,材料必须是强度与韧性都适当时,才能避免由它制作成的结构发生断裂.
　　基于这4个或5个力学性能参数的设计方法,称为常规设计方法.这代表了人类对强度(包括断裂)问题认识的一个阶段.在当时人们认为材料内部是连续的,参数σs,σb,δ与ψ的获取由完整试样去测定.
　　随着生产的发展和科学的进步,人类对强度(包括断裂)现象的认识也在深化.下面对这一认识过程的某些方面作一简短回顾.
　　0.1断裂的晶体学分类——解理断裂与滑移断裂
　　人类不满足于对断裂现象的粗浅的认识,力图从更深的层次去揭示这一现象的本质,其中之一是从晶体学的层次去认识.当然这主要是针对固体材料中最简单的一种材料——金属进行讨论的,因为并不是任何材料都是结晶体.
　　纯金属是一种结晶体.完整晶体是由原子(或离子、分子)规则排列形成的,如图1(a)所示.
　　金属在一定条件下,例如,在低温条件下,当应力达到一定的数值时,便以极快的速度沿一定的结晶学平面发生断裂,断裂面平滑而光亮,这种断裂称为解理断裂,这个一定的结晶学平面称为解理面.同一种金属在不同的条件下,沿不同的晶面形成解理面.解理断裂是典型的脆性断裂.脆性金属材料多半以这种形式断裂.解理断裂一般在没有显著塑性变形下发生,但也可以在发生相当大的塑性变形下出现①.

绪论 
　　材料或结构物在外力或其他因素作用下发生破裂,这是日常生活、工程与自然界中的一个普通现象.看起来如此简单的一个现象,其物理本质迄今并未完全认识透彻.由于材料的发展,这一问题对人们的吸引力正在进一步加大. 
　　从物理和力学的角度去分析这一现象已进行将近一个世纪的努力.物理学家思考为什么晶体的理论强度与实际强度差别几个数量级?而固体力学则从宏观的角度,观察分析工程材料与结构的失效,以便提供理论与判据为工程服务.工程师关心材料或结构在什么部位、在多大的外力下会发生断裂?在较早阶段,人们由于不了解工程材料与结构失效的真正原因,认为循环外应力作用使材料与结构破坏是“疲劳”所造成的,从而积累了一些经验去估计在什么时候(即循环多少次)会发生断裂.在断裂力学诞生之前,由于经验的积累和力学与材料科学工作者的努力,提出了四个强度理论.根据这些理论,在分析结构安全性时,不仅要计算结构内的应力和变形,还要测定相应的材料性能的常数.这些常数包括屈服极限(又称屈服强度)σs、断裂极限(又称为断裂强度)σb、延伸率δ和冲击韧性αk.有时还需要截面收缩率ψ,在循环加载下需要疲劳极限σr.在这4个参数中,σs与σb为强度指标,δ与αk为韧性指标.经验表明,材料必须是强度与韧性都适当时,才能避免由它制作成的结构发生断裂. 
　　基于这4个或5个力学性能参数的设计方法,称为常规设计方法.这代表了人类对强度(包括断裂)问题认识的一个阶段.在当时人们认为材料内部是连续的,参数σs,σb,δ与ψ的获取由完整试样去测定. 
　　随着生产的发展和科学的进步,人类对强度(包括断裂)现象的认识也在深化.下面对这一认识过程的某些方面作一简短回顾. 
　　0.1断裂的晶体学分类——解理断裂与滑移断裂 
　　人类不满足于对断裂现象的粗浅的认识,力图从更深的层次去揭示这一现象的本质,其中之一是从晶体学的层次去认识.当然这主要是针对固体材料中最简单的一种材料——金属进行讨论的,因为并不是任何材料都是结晶体. 
　　纯金属是一种结晶体.完整晶体是由原子(或离子、分子)规则排列形成的,如图1(a)所示. 
　　金属在一定条件下,例如,在低温条件下,当应力达到一定的数值时,便以极快的速度沿一定的结晶学平面发生断裂,断裂面平滑而光亮,这种断裂称为解理断裂,这个一定的结晶学平面称为解理面.同一种金属在不同的条件下,沿不同的晶面形成解理面.解理断裂是典型的脆性断裂.脆性金属材料多半以这种形式断裂.解理断裂一般在没有显著塑性变形下发生,但也可以在发生相当大的塑性变形下出现①. 
　　图1固体断裂机理的晶体学层次分析示意图 
　　有些金属,例如Te,Bi,Sb等在常温下也会发生解理断裂. 
　　在低温下,那些在单晶体状态下发生解理断裂的金属,在多晶体状态下也会发生解理断裂.甚至有些合金,例如,低碳钢(铁–碳合金)也会发生解理断裂,解理面 
　　①张兴钤等.金属与合金的力学性质.北京：中国工业出版社,1961. 
　　沿着铁素体的[100]平面,并且有光亮的断口.自然,多晶体的解理断裂比单晶体的要复杂,至于合金则更复杂. 
　　解理断裂通常是由于垂直于解理面的正应力的作用破坏了晶体原子间的结合力而引起的,如图1(b)所示. 
　　金属在另外一些条件下,由于受剪应力的作用破坏了晶体原子间的结合力而引起断裂,称为滑移断裂.因为断裂之前,晶格发生显著的滑移,断口是灰暗的,鹅毛状的和纤维状形貌,断裂面与拉伸轴成一定的倾斜角.这种断裂机理示意图如图1(c)所示. 
　　滑移断裂发生前,材料经历了显著的塑性变形. 
　　塑性较好的金属(Cu,Al等)多晶体与合金(低碳钢等)其断裂机制可以用滑移断裂去解释. 
　　从更深层次上去定量分析这些断裂机制将在第13章中讨论. 
　　0.2断裂的工程学分类——脆性断裂与韧性断裂 
　　固体力学以工程材料或结构材料为主要研究对象,它以完整试样的拉伸试验把材料分成脆性与韧性两大类.这种分类很简单,以延伸率δ<5％或>5％作为划分的标准.例如,灰口铸铁和玻璃钢等,由于其δ<5％被划定为脆性材料,它的典型的拉伸曲线和试样断口由图2给出,而低碳钢由于其δ>5％而被划定为韧性材料(它的典型的拉伸曲线和断口由图3、图4给出).由图4可见,许多韧性材料并不存在明显的屈服极限,工程上则以σ0.2作为名义屈服极限,由图5所示.但在三轴拉伸下σY=23/4σs. 
　　脆性断裂与韧性断裂同解理断裂与滑移断裂有某种联系,但不存在简单的关系.例如,张兴钤教授(1961)的著作第121页指出的单晶体锌,在.185.C下进行拉伸试验,可以在应变ε=2后发生解理断裂,而按照工程分类,这应该属于韧性断裂.这表明晶体学上的断裂机制同工程学上的断裂分类并不存在简单的关系.尤其,工程材料未必是晶体,晶体所特有的性质,在一般工程材料中未必都具有.所以如果提什么宏观模式与微观机制或者它们之间有什么联系必须要谨慎.“微观”一词在物理上有很严格的规定,如果不加区分地使用这一名词,会带来许多混淆.为了明确起见,一些专家建议,最好说明在什么层次上和多大尺度上进行讨论,进而去寻找不同层次间的关联和不同尺度间的关联. 
　　0.3影响材料脆性与韧性的因素 
　　上面把材料划分成脆性与韧性的试验是在室温和缓慢加载下进行的,这表明材料的脆性与韧性不是无条件的、绝对的. 
　　刻画材料脆性或韧性的力学性能参数αk是由带切口的试样(称为Charpy试样)在冲击加载下,以试样冲断时所需的能量Wimpact除试样切口所在截面的面积A去计算,即 
　　=Wimpact(1) 
　　αkA 
　　数值(1)称为材料的冲击韧性.冲击加载由一落重施加到试样上,加载速率限制在m/s量级(即不能太高).


	　　图3低碳钢的拉伸曲线与试样断口图4其他典型韧性材料的拉伸曲线


	　　图5名义屈服极限σ0.2 
　　脆性材料αk值小,韧性材料αk值大.然而αk值是温度敏感的.过去一些教科书上绘制的αk.T曲线,往往给人一个假象,似乎存在一个温度Tc,当T=Tc时,αk有一突变,这样αk(Tc)将是一个常数,而Tc称为转变温度(韧性–脆性转变温度),简称为冷脆转变温度.其实许多典型的工程材料,实验测得αk.T曲线是连续变化的(图6). 
　　图6测定αk值的试验装置及αk.T曲线 
　　虽然Tc的确定存在困难,但是αk随温度发生明显变化的事实表明,材料的脆性与韧性不仅同材质有关,也同工作条件,即环境有关.下面对影响材料的脆性与韧性的内因与外因作一些定性讨论.

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