中国材料工程大典（第1卷 材料工程基础）

　　中国材料工程大典是中国机械工程学会和中国材料研究学会共同组织全国39位院士，百余位各学科带头人、千余位材料工程专家共同执笔编写，全面反映当今国内外材料工程领域发展的最新资料和最新成果，集实用性、先进性和权威性于一体的大型综合性工具书。中国材料工程大典包括材料工程基础、钢铁材料工程、有色金属材料工程、高分子材料工程、无机非金属材料工程、复合材料工程、信息功能材料工程，粉末冶金材料工程、材料热处理工程、材料表面工程、材料铸造成形工程、材料塑性成形工程、材料焊接工程、材料特种加工成形工程、材料表征与检测技术等内容，涵盖了材料工程的各个领域，将最新的实用数据（特别是与国际接轨的标准数据），图表与先进实用的科研成果系统地集合起来，并附应用实例，充分展示了材料工程各领域的现状和未来。中国材料工程大典不仅可以满足现代企业正确选材，合理用材，应用先进的材料成形加工技术．提高产品质量和性能，降低产品成本，增强产品市场竞争力的需要，而且对推动中国材料科学与材料成形加工技术的不断创新，促进制造业的发展，提高我国制造业的竞争能力，具有重要的现实意义。 本书为第1卷，材料工程基础。主要内容包括材料科学与工程概论，材料成形基础理论、材料成形数值模拟、材料成形优化设计方法、材料失效分析，材料强度设计等。 本书主要供具有大专以上文化水平，从事材料工程研究的工程技术人员在综合研究和处理材料工程的各类技术问题时使用，起备查、提示和启发的作用，也可供研究人员，理工院校的有关师生参考。 前 言 《材料工程基础》是《中国材料工程大典》26卷中的首卷，是全书其他各卷的共性基础要览，是涉及各类材料及其产品设计选材、制造加工成形以及失效分析等方面的基础。其主要内容涵盖了材料科学与工程概论、材料成形的基础理论、数值模拟和优化设计方法、材料的强度设计以及材料的失效分析等方面。 参加本卷编写工作的有国家自然科学基金委员会、北京航空材料研究院、北京航空航天大学、上海交通大学、中国材料研究学会、南京大学、华中科技大学、山东大学、东北大学、石油管材研究所等单位的40余位专家教授，并由我们三人担任本卷的主编。本卷共设6篇42章，共约270万字。各篇的主编如下： 第1篇材料科学与工程概论师昌绪李成功刘治国 第2篇材料成形基础理论董湘怀 第3篇材料成形数值模拟柳玉起 第4篇材料成形优化设计方法赵国群 第5篇材料失效分析钟群鹏李鹤林张峥 第6篇材料强度设计谢里阳王永岩 本书的编写工作遵循"科学性、先进性和实用性"的原则，以材料工程基础方面比较成熟的理论、方法和数据为主，同时参考了国内外材料工程基础方面的新进展，反映当代材料工程基础的先进水平。本书主要供具有大专以上文化水平的有关工程技术人员阅读使用，也可供理工科院校的有关师生参考。 感谢中国机械工程学会、中国材料研究学会、中国材料工程大典编委会、中国金属学会、中国化工学会、中国硅酸盐学会、中国有色金属学会、中国复合材料学会对本卷编写工作的指导与支持。由于编写时间紧迫和编者水平所限，对书中的不当之处，恳请读者指正并提出宝贵意见。 师昌绪钟群鹏李成功 2005年9月12日

　　师昌绪，院士，金属学及材料科学家，中国科学院院士，中国工程院院士，国家自然科学基金委员会特邀顾问。钟群鹏，院士，北京航空航天大学教授，中国机械工程学会副理事长，中国工程院院士。李成功，教授，北京航空材料研究院原总工程师，国家973计划材料领域专家咨询组副组长。

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 22 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Nb3Sn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 各向异性屈眼函数 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 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 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 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 持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 杭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 现代机械强度理沦 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市的变化 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占算 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 低温瞧断 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