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出版者:中国标准出版社

作者:治金工业信息标准研究院治金标准化研究所

出品人:

页数:497

译者:

出版时间:2007-1

价格:130.00元

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isbn号码:9787506644822

丛书系列:

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《工程金属材料力学性能手册》 内容简介 本书是一部系统、全面、权威的工程金属材料力学性能参考手册，旨在为工程师、技术人员、科研人员及相关专业学生提供详尽的金属材料力学性能数据和应用指导。全书共分十一章，涵盖了工程领域常用金属材料的力学性能表征、测试方法、影响因素、性能变化规律以及在不同工程应用中的性能选择与评价等内容。本书力求在理论深度与实践应用之间取得平衡，既包含扎实的理论基础，又注重实际工程中的应用案例和数据参考，是理解和掌握金属材料力学性能的 indispensable 助手。 第一章 金属材料的力学性能基础 本章深入浅出地介绍了金属材料力学性能的基本概念和表征方法。首先阐述了何为力学性能，以及为何其在工程应用中至关重要。接着，详细讲解了工程中常用的基本力学性能指标，包括： 强度 (Strength)：包括屈服强度、抗拉强度，以及它们在材料抵抗塑性变形和断裂时的作用。详细解释了屈服点、屈服强度、抗拉强度等概念的物理意义，以及不同加载方式（拉伸、压缩、弯曲、扭曲）对强度指标的影响。 硬度 (Hardness)：介绍了洛氏硬度、布氏硬度、维氏硬度等不同硬度测试方法及其原理，并阐述了硬度与强度之间的相关性，以及硬度在质量控制中的应用。 塑性 (Ductility)：重点介绍了延伸率、断面收缩率等指标，并解释了它们如何表征材料在断裂前发生塑性变形的能力，以及塑性对于材料加工和成形的重要性。 韧性 (Toughness)：阐述了韧性是材料吸收能量并抵抗裂纹扩展的能力，介绍了冲击韧性测试（如夏比冲击试验）及其对材料在低温或动载荷条件下性能评估的意义。 疲劳强度 (Fatigue Strength)：详细介绍了材料在循环载荷作用下发生断裂的现象（疲劳），解释了S-N曲线（应力-寿命曲线）的含义，以及疲劳极限、疲劳寿命等概念。 断裂韧性 (Fracture Toughness)：介绍了材料在存在裂纹时抵抗扩展的能力，阐述了断裂韧性指标（如KIC）在结构完整性分析中的应用。 应力-应变关系 (Stress-Strain Relationship)：详细解释了弹性变形和塑性变形的本质，以及应力-应变曲线上的关键点（比例极限、弹性极限、屈服点、抗拉强度点、断裂点）所代表的物理意义。引入了杨氏模量、泊松比等弹性常数。 本章还简要介绍了影响金属材料力学性能的微观因素，如晶体结构、晶粒尺寸、位错滑移、第二相粒子等，为后续章节的深入探讨奠定基础。 第二章 金属材料力学性能的测试方法 本章聚焦于金属材料力学性能的实际测试技术。针对第一章介绍的各项力学性能指标，详细阐述了国家标准或国际通用标准的测试方法和流程，包括： 拉伸试验 (Tensile Testing)：详尽介绍了不同类型拉伸试验机的使用，试样的制备（形状、尺寸、标记），试验过程中的参数控制（加载速率、应变速率），以及从试验数据中提取力学性能指标的计算方法。 硬度测试 (Hardness Testing)：详细讲解了洛氏、布氏、维氏硬度计的操作规程，不同压痕体的选择，以及硬度值的读取和记录。 冲击试验 (Impact Testing)：介绍了夏比（Charpy）和悬臂梁（Izod）冲击试验机的结构和工作原理，冲击试样的槽口类型和尺寸要求，以及冲击功的测量和记录。 疲劳试验 (Fatigue Testing)：阐述了不同类型的疲劳试验机（如旋转弯曲疲劳试验机、拉-压疲劳试验机）的工作原理，试样的制备和加载方式，以及试验数据的记录和分析方法。 断裂韧性测试 (Fracture Toughness Testing)：介绍了标准断裂韧性试样（如CCT试样、CTOD试样）的制备，裂纹的预制方法，以及断裂韧性参数的测试和计算。 弯曲和扭转试验 (Bending and Torsion Testing)：介绍了这两种试验在评估材料塑性和刚度方面的应用，以及试验设备的设置和数据分析。 无损检测 (Non-Destructive Testing, NDT)：简要介绍了超声波检测、射线检测、磁粉检测等无损检测技术在评估材料内部缺陷对力学性能影响方面的作用，但重点不在于NDT本身，而是其与力学性能的关联。 本章强调了试验规范、操作精度以及数据准确性对于获得可靠力学性能数据的重要性。 第三章 常见工程金属材料的力学性能 本章是本书的核心内容之一，系统地列举和分析了工程实践中最常见的几大类金属材料的力学性能特点： 钢铁材料 (Ferrous Materials)： 碳素钢 (Carbon Steel)：根据含碳量和用途，详细列举了低碳钢、中碳钢、高碳钢在强度、塑性、硬度、韧性等方面的典型数值范围，并分析了碳含量对其性能的影响。 合金钢 (Alloy Steel)：重点介绍了不同合金元素（如铬、镍、钼、锰、钒等）对钢的强化、韧性、耐磨性、耐腐蚀性等方面的作用。区分了调质钢、渗碳钢、轴承钢、工具钢、不锈钢等，并提供其典型的力学性能数据。 铸铁 (Cast Iron)：介绍了灰口铸铁、球墨铸铁、白口铸铁、蠕墨铸铁等不同类型铸铁的微观结构及其对应的力学性能特点，特别是其脆性与抗压强度的关系。 铝及铝合金 (Aluminum and Aluminum Alloys)： 介绍了纯铝及其常见合金（如duralumin、航空铝合金、锻造铝合金）的力学性能，强调了铝合金的轻质高强特性，以及不同热处理状态（如退火、固溶处理、时效处理）对其性能的影响。 铜及铜合金 (Copper and Copper Alloys)： 介绍了纯铜、黄铜、青铜、白铜等常见铜合金的力学性能，以及它们在导电、导热、耐腐蚀等方面的优势。 镁及镁合金 (Magnesium and Magnesium Alloys)： 介绍了镁合金的超轻特性，以及其在航空航天、汽车等领域的应用前景，并分析了其力学性能的特点和局限性。 钛及钛合金 (Titanium and Titanium Alloys)： 介绍了钛合金优异的比强度、耐腐蚀性和耐高温性能，及其在航空、医疗等高端领域的应用。 镍基合金 (Nickel-Based Alloys)： 介绍了镍基合金的高温强度、抗氧化和抗蠕变性能，适用于航空发动机、燃气轮机等极端工况。 对于每类材料，都提供了详细的典型力学性能数据表，涵盖了屈服强度、抗拉强度、延伸率、硬度等关键指标，并注明了相应的材料牌号、标准状态以及可能的测试条件。 第四章 影响金属材料力学性能的因素 本章深入探讨了导致金属材料力学性能产生差异的内在与外在因素，有助于读者理解材料性能的变异性并进行优化： 化学成分 (Chemical Composition)：详细分析了主要合金元素（如碳、铬、镍、钼等）对钢性能的影响，以及杂质元素（如硫、磷）的有害作用。对于非铁合金，也分析了各种添加元素的作用。 微观组织 (Microstructure)： 晶粒尺寸 (Grain Size)：阐述了晶界强化效应，细化晶粒如何提高材料的强度和韧性，以及晶粒尺寸与加工工艺（如锻造、轧制）的关系。 相结构 (Phase Structure)：解释了固溶体、沉淀物、第二相等对材料力学性能的影响，如析出强化、相变强化等。 缺陷 (Defects)：介绍了位错、空位、晶界缺陷等微观缺陷在材料塑性变形和断裂过程中的作用。 热处理工艺 (Heat Treatment)： 退火 (Annealing)：阐述了退火的目的（软化、消除内应力、细化晶粒）及其对力学性能的影响。 正火 (Normalizing)：介绍了正火对钢的细化晶粒和改善综合性能的作用。 淬火 (Quenching)：详细讲解了淬火以获得马氏体组织，从而大幅提高材料强度的机理，并讨论了淬火应力及其影响。 回火 (Tempering)：阐述了回火是淬火后的必要工序，通过不同温度的回火可以获得不同的强度、塑性和韧性组合。 时效处理 (Aging)：尤其针对铝合金等，介绍了时效处理通过析出强化提高材料强度的过程。 加工工艺 (Processing Technology)： 变形量与变形方式 (Deformation Amount and Mode)：分析了冷加工（如冷轧、冷拔）引起的加工硬化效应，以及热加工（如热轧、锻造）对材料组织和性能的影响。 表面状态 (Surface Condition)：探讨了表面粗糙度、表面缺陷（如划痕、缩孔）对材料疲劳寿命和整体性能的影响。 环境因素 (Environmental Factors)： 温度 (Temperature)：介绍了温度对材料强度、塑性、韧性的影响，特别是低温脆性（如冷脆）和高温蠕变现象。 加载速率 (Loading Rate)：阐述了材料在高速加载（动载荷）下的性能变化。 腐蚀环境 (Corrosive Environment)：简要提及了腐蚀对材料力学性能的潜在影响，但本书主要侧重于材料本身固有的力学性能。 第五章 金属材料的塑性变形与断裂 本章深入探讨了金属材料在受力过程中发生塑性变形和最终断裂的微观机制和宏观表现： 塑性变形机制 (Mechanisms of Plastic Deformation)： 位错理论 (Dislocation Theory)：详细阐述了位错的产生、运动（滑移和攀移）是金属材料宏观塑性变形的根本原因。介绍了刃位错、螺位错及其复合位错。 晶界滑移 (Grain Boundary Sliding)：在高温或细晶粒材料中，晶界滑移也作为一种塑性变形方式。 孪晶 (Twinning)：在某些材料（如某些钢、镁合金）中，孪晶也可以导致塑性变形。 断裂机制 (Mechanisms of Fracture)： 脆性断裂 (Brittle Fracture)：介绍了脆性断裂的特点（无明显塑性变形，断口平直、参差不齐），以及其发生的原因（如应力集中、低韧性）。 韧性断裂 (Ductile Fracture)：阐述了韧性断裂通常发生在明显的塑性变形之后，断口呈纤维状、杯锥状，是材料充分利用其塑性潜力的结果。 疲劳断裂 (Fatigue Fracture)：详细介绍了疲劳裂纹的萌生、扩展过程，以及典型的疲劳断口特征（如海滩纹、辉纹）。 蠕变断裂 (Creep Fracture)：在高应力、高温长期作用下发生的断裂，与时间密切相关。 应力集中与断裂韧性 (Stress Concentration and Fracture Toughness)： 介绍了材料内部或表面存在的缺陷（如孔洞、缺口、裂纹）如何导致应力集中，以及断裂韧性指标在预测存在裂纹构件安全性的作用。 断口分析 (Fractography)：简要介绍了通过宏观和微观观察断口特征来判断材料断裂模式、原因和失效过程的方法。 第六章 金属材料的疲劳与断裂 本章对疲劳和断裂这两个重要的失效模式进行更深入的探讨： 疲劳性能 (Fatigue Performance)： S-N曲线 (Stress-Life Curve)：详细解释了不同应力水平下的循环寿命，以及疲劳极限的概念（对某些材料而言）。 影响疲劳性能的因素：重申了表面状态、加载类型（拉-压、弯曲、扭转）、应力集中、环境因素（如腐蚀疲劳）对疲劳寿命的影响。 疲劳寿命预测：简要介绍了一些疲劳寿命预测的基本模型和方法。 断裂力学基础 (Basics of Fracture Mechanics)： 线弹性断裂力学 (Linear Elastic Fracture Mechanics, LEFM)：介绍了应力强度因子 (Stress Intensity Factor, K) 的概念，以及KIC（平面应变断裂韧度）作为材料抵抗裂纹扩展能力的量化指标。 弹塑性断裂力学 (Elasto-Plastic Fracture Mechanics, EPFM)：介绍了J积分、CTOD (Crack Tip Opening Displacement) 等参数，适用于裂纹尖端存在较大塑性变形的情况。 结构完整性评估 (Structural Integrity Assessment)：阐述了如何结合断裂力学理论和材料的断裂韧性数据，对带有裂纹的结构构件进行安全评估。 第七章 金属材料的蠕变与高温性能 本章专注于金属材料在高温环境下的性能表现： 蠕变 (Creep)： 蠕变过程：详细解释了蠕变是指材料在恒定的高温、恒定应力作用下，随时间延长而发生的缓慢塑性变形。 蠕变曲线 (Creep Curve)：分析了蠕变过程中的三个阶段（瞬时变形、稳态蠕变、加速蠕变）。 蠕变速率与持久寿命 (Creep Rate and Creep Rupture Life)：介绍了这些关键指标的定义及其在高温设计中的重要性。 影响蠕变的因素：包括温度、应力、材料成分、微观组织等。 高温强度与抗氧化性 (High-Temperature Strength and Oxidation Resistance)： 介绍了材料在高温下的屈服强度、抗拉强度的下降趋势。 阐述了材料的抗氧化、抗燃蚀性能，以及高温合金的设计思路。 高温设计考虑 (Considerations for High-Temperature Design)： 强调了在高温环境下，蠕变和高温强度是设计中的关键制约因素，需要选用合适的材料并进行相应的校核。 第八章 金属材料的疲劳与应力腐蚀 本章进一步拓展了材料在复合环境下的性能问题： 疲劳与腐蚀的协同作用 (Synergy of Fatigue and Corrosion)： 应力腐蚀开裂 (Stress Corrosion Cracking, SCC)：详细介绍了SCC的机理，即材料在特定腐蚀介质和拉应力协同作用下发生的脆性断裂。列举了常见的SCC失效案例和易感材料。 腐蚀疲劳 (Corrosion Fatigue)：阐述了腐蚀环境会显著降低材料的疲劳寿命，比单纯的疲劳或腐蚀更为严重。 缓蚀措施 (Corrosion Prevention Measures)：简要介绍了在设计和使用中可以采取的减少SCC和腐蚀疲劳的措施。 第九章 金属材料的性能选择与应用 本章将前述的理论知识和数据应用到实际的工程选择中： 工程设计中的性能指标选择 (Selection of Performance Indicators in Engineering Design)： 根据不同的工程应用场景（如承受静载荷、动载荷、高温、低温、腐蚀等），指导读者如何根据设计要求选择合适的力学性能指标（如强度、韧性、疲劳寿命、抗蠕变性等）。 典型工程应用中的材料选择 (Material Selection for Typical Engineering Applications)： 航空航天 (Aerospace)：分析了对轻质高强、耐高温、抗疲劳性能要求高的材料选择，如铝合金、钛合金、高温合金。 汽车工业 (Automotive Industry)：介绍了对高强度钢、铝合金、镁合金在轻量化和安全性方面的应用。 能源领域 (Energy Sector)：例如，核电站、发电厂对耐高温、高压、抗辐射材料的需求。 桥梁与建筑 (Bridges and Buildings)：强调了结构钢的强度、韧性和焊接性能。 机械制造 (Machinery Manufacturing)：介绍了不同零部件对耐磨、高强、高韧性材料的选择。 医疗器械 (Medical Devices)：例如，生物相容性材料（如钛合金、不锈钢）的力学性能要求。 材料性能的局限性与优化 (Limitations and Optimization of Material Properties)： 认识到任何材料都有其性能的局限性，设计中需要考虑这些局限性，并通过优化设计、选择合适的材料、改进加工工艺或热处理来克服。 第十章 金属材料的失效分析与预防 本章聚焦于材料失效的诊断与避免： 失效模式的识别 (Identification of Failure Modes)： 通过分析失效部件的宏观和微观形貌（断口分析、显微组织检查），识别出是过载、疲劳、断裂、蠕变、腐蚀等哪种失效模式。 失效原因的追溯 (Tracing the Cause of Failure)： 结合失效模式、材料性能数据、服役环境和载荷信息，追溯导致失效的根本原因。 失效预防措施 (Failure Prevention Measures)： 根据失效原因，提出相应的预防措施，如改进材料选择、优化设计、改进加工工艺、加强维护管理、实施可靠性测试等。 强调了设计、制造、检测、使用全过程的质量控制对于保证产品安全可靠的重要性。 第十一章 金属材料力学性能发展趋势与展望 本章对金属材料力学性能的未来发展方向进行展望： 高性能金属材料 (High-Performance Metallic Materials)： 新型合金的开发：如高熵合金、形状记忆合金、纳米晶材料等，以及它们在更高强度、更高韧性、更高耐温性方面的潜力。 先进制造技术：如增材制造（3D打印）技术在复杂构件制造中的应用，以及其对材料组织和性能的影响。 智能金属材料 (Intelligent Metallic Materials)： 自愈合材料：具有在损伤后自我修复能力。 环境响应材料：能够根据外部环境变化改变其力学性能。 可持续性与环境友好型材料 (Sustainability and Environmentally Friendly Materials)： 高性能可回收材料：在满足性能要求的同时，更加注重材料的循环利用和环境影响。 生物可降解金属材料：在特定应用（如医疗）中的潜力。 理论计算与模拟技术 (Theoretical Calculation and Simulation Technology)： 材料设计软件：利用计算机辅助设计（CAD）、材料信息学（Materials Informatics）加速新材料的研发。 数值模拟：如有限元分析（FEA）、分子动力学模拟等，用于预测材料在复杂载荷和环境下的力学行为。 本书致力于成为一本集理论性、实用性、全面性于一体的金属材料力学性能参考工具书。通过深入浅出的讲解和详实的数据支持，帮助读者建立对金属材料力学性能的系统认知，并能够将其应用于实际的工程设计、材料选择和失效分析工作中。

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