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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Nicholas, Theodore

出品人:

页数:656

译者:

出版时间:2006-9

价格:$ 322.05

装帧:HRD

isbn号码:9780080446912

丛书系列:

图书标签:

• 高周疲劳
• 疲劳寿命
• 材料力学
• 断裂力学
• 结构完整性
• 耐久性
• 金属材料
• 疲劳分析
• 应力寿命
• 损伤力学

疲劳的边界：材料失效的深度解析与前沿应用 本书聚焦于材料在复杂载荷条件下的长期性能，深入剖析了结构设计、环境因素与微观结构演化如何共同决定机械部件的服役寿命。它旨在为航空航天、能源、土木工程及精密机械等领域的高级工程师、研究人员和博士生提供一套严谨且实用的失效分析框架。 --- 第一部分：疲劳理论的基石与现代演进 本书首先建立了一个坚实的理论基础，超越了传统的S-N曲线分析，引入了更具预测能力的能量学和断裂力学方法。 第一章：从微观到宏观的损伤累积模型 本章系统梳理了疲劳损伤的起源——从晶界滑移、位错运动到微裂纹萌生。重点探讨了非均质材料（如复合材料和增材制造金属）中多尺度缺陷对疲劳起始的影响。我们详细阐述了有效应力范围概念，如何修正传统假设中均匀应力分布的局限性，尤其是在存在预应力或残余应力场的情况下。 关键内容聚焦： 应变疲劳理论的极限分析；低周疲劳（LCF）下的塑性功耗与累积损伤关系；裂纹萌生阶段的表面敏感性研究。 第二章：断裂力学在疲劳寿命预测中的应用深化 本部分侧重于断裂韧性和裂纹扩展速率的精确测量与建模。我们详细解析了Paris-Erdogan律在不同载荷比（$R$值）和环境介质中的修正模型，并引入了更先进的增量塑性区（IPZ）理论来描述裂尖张力应力场在高速扩展时的动态行为。 环境影响的量化： 腐蚀疲劳（Corrosion Fatigue, CF）的电化学-力学耦合模型是本章的重点。详细介绍了电化学噪声技术（ECN）在实时监测裂纹尖端活化程度中的应用，以及氢致脆化（Hydrogen Embrittlement, HE）在关键承力结构中的影响评估方法。 第三章：多轴与随机载荷下的疲劳寿命预测 现代工程结构很少经历简单的轴对称往复载荷。本章深入探讨了多轴疲劳（如扭转与拉伸的组合）对材料失效路径的决定性影响。 失效准则的比较： 对比了基于最大主应力、等效应变范围和能量密度的多轴失效准则（如Findley、Brown-Miller准则）的适用性与局限性。 随机载荷模拟： 引入Miner线性累积准则的非线性修正，重点讨论了雨流计数法（Rainflow Counting）在高频随机载荷谱下的精确应用，以及如何将载荷序列效应（Load Sequence Effects）纳入概率寿命预测模型。 --- 第二部分：材料与制造工艺对疲劳性能的重塑 本部分聚焦于如何通过材料选择、热处理及先进制造技术来提升结构的固有抗疲劳能力。 第四章：高温与蠕变交互作用下的热机械疲劳（TMF） 在燃气轮机叶片、核反应堆部件等领域，疲劳与蠕变是同时存在的关键失效机制。本章详尽分析了热机械疲劳（TMF）现象，并提出了先进的疲劳-蠕变交互模型。 循环软化与硬化： 探讨了高温下材料微观结构（如析出物、晶界）在热循环过程中的演变，如何导致循环应力-应变响应的非线性变化。 寿命预测： 介绍了基于时间-温度等效原理（如Manson-Succop方法）的TMF寿命预测方法，并结合Creep-Fatigue Interaction (CFI) 评估图，指导高温结构的设计裕度。 第五章：增材制造（AM）金属部件的疲劳特性与缺陷管理 增材制造（如选区激光熔化SLM）引入了全新的冶金和缺陷形态。本书专门设立一章来解决AM材料的独特疲劳挑战。 缺陷的分类与表征： 详细分析了未熔合缺陷（Lack of Fusion）、气孔（Porosity）的几何形状（球形、拉伸形）对疲劳起始的影响，并使用X射线断层扫描（XCT）技术对内部缺陷进行定量化分析。 各向异性疲劳： 阐述了增材制造过程中形成的层状结构导致的疲劳性能的显著方向性差异，并提供了基于Build Orientation的局部应力分析方法。 第六章：表面工程技术在疲劳寿命提升中的策略 表面状态是疲劳失效的决定性因素。本章深入研究了残余应力的引入和优化，以抑制裂纹萌生。 先进表面强化技术： 详细对比了滚压（Shot Peening）、激光冲击强化（LSP）和深度碳氮共渗（Case Hardening）的机制。重点分析了LSP引入的梯度残余压应力的深度分布如何有效阻碍表面微裂纹的扩展。 疲劳性能的逆向工程： 如何通过残余应力分布的测量（如X射线衍射法），反向推导其对表面层材料有效应力幅的影响，从而修正经典的表面敏感性模型。 --- 第三部分：结构完整性评估与寿命控制 本部分将理论与工程实践紧密结合，侧重于在役结构的健康监测与安全评估。 第七章：损伤容限设计与结构完整性评估（SIA） 本书强调“损伤容限”（Damage Tolerance）的设计哲学，即假设结构中存在初始缺陷，并通过定期的无损检测来管理风险。 安全评估流程： 详细介绍了基于断裂力学的损伤容限评估流程（Structural Integrity Assessment），包括：缺陷尺寸确定、应力强度因子计算（使用有限元分析）、裂纹扩展速率预测以及剩余寿命计算。 检测阈值与再检测间隔： 如何根据结构的关键服役等级（Criticality Level）和无损检测（NDT）方法的最小可检测缺陷尺寸（MDD），科学地确定最佳的再检测间隔（Inspection Interval）。 第八章：先进无损检测技术与数字化疲劳监测 有效的疲劳管理依赖于准确的早期损伤识别。本章介绍了突破性的无损检测（NDT）技术，以及向实时健康监测（SHM）的转变。 超越传统UT/RT： 重点介绍相控阵超声（Phased Array UT, PAUT）和线性超声波衰减技术（Linear Ultrasonic Attenuation）在识别疲劳裂纹和微孔隙方面的优势。 传感器集成与数据融合： 探讨了光纤布拉格光栅（FBG）传感器和压电材料传感器在结构上的集成，用于实时监测应变变化和裂纹扩展带来的刚度变化，并利用卡尔曼滤波等数据融合技术实现疲劳损伤的早期预警。 第九章：寿命的概率分析与寿命延长策略 疲劳寿命本质上是随机的。本章提供了处理不确定性的统计工具，并探讨了服役中结构的寿命延长技术。 Weibull分布与概率疲劳： 阐述了如何使用Weibull分布对疲劳寿命数据进行拟合，并计算结构在特定寿命下的可靠性指标（Reliability Index）。 再处理与修复技术： 讨论了在役结构疲劳损伤的修复技术，如激光表面重塑（Laser Cladding）和磨削后的表面残余应力再平衡对延长结构剩余寿命的工程可行性与验证方法。 --- 《疲劳的边界》不仅仅是一本理论手册，更是一部指导工程师们在现实工程约束下，实现结构安全、可靠和高效服役的实践指南。通过对材料科学、断裂力学和先进检测技术的深度整合，本书为读者提供了一个理解和控制机械系统长期可靠性的全面视角。

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