材料失效诊断、预测和预防 -中南大学出版社

材料失效诊断、预测和预防

【作者】：钟群鹏
【出版时间】：2009-02
【字数】：498（千字）
【定价】：￥42.00（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-81105-706-5
【页码】：356（页）
【开本】：16开

本书是教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会规划教材,根据教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会相关的课程“教学基本要求”编写。失效诊断、预测和预防是从失败入手着眼于成功和发展的科技领域;是从过去入手着眼于未来和进步的科技领域。材料的失效诊断、预测和预防已越来越被人们所重视。

本书主要阐述了材料失效诊断、预测和预防的基本概念、基本理论和方法,共分5章,第1章简要介绍失效分析的基本概念、基本内容、地位与作用等;第2章主要阐述断口分析、裂纹分析、痕迹分析、腐蚀和磨损产物分析以及综合分析等材料失效诊断的技术和方法;第3章主要阐明以失效模式为基础的材料失效预测的基本理论和方法以及材料失效预测的力学和数学方法;第4章阐述包括断裂、疲劳及失稳等多种失效模式材料(构件)的确定性和概率安全评估技术以及方法,风险评估技术和方法;第5章阐述基于材料设计技术、机械设计技术、材料(构件)监检测技术等的材料失效预防技术和方法等。

本书可作为高等学校材料科学与工程专业本科生或研究生教材,也可供相关领域的科技人员以及高等院校相关专业的师生参考。

第1章概论……………………………………………………………………………… (1)
1.1 失效与失效分析的基本概念……………………………………………………… (1)
1.1.1 失效与失效分析相关术语…………………………………………………… (1)
1.1.2 失效的分类…………………………………………………………………… (1)
1.2 失效分析预测预防的地位与作用………………………………………………… (5)
1.3 失效分析预测预防的特点和属性………………………………………………… (6)
1.3.1 失效分析的特点和属性……………………………………………………… (6)
1.3.2 失效分析预测预防与相关学科、技术之间的关系………………………… (6)
1.3.3 失效分析预测预防应注意的事项和对人员素质的要求…………………… (7)
1.3.4 失效分析预测预防的技术工作……………………………………………… (8)
1.4 失效分析预测预防的步骤和程序……………………………………………… (12)
1.5 失效分析预测预防的常用分析思路…………………………………………… (15)
1.6 失效的事后处理及失效预防…………………………………………………… (18)
第2章失效诊断技术和方法………………………………………………………… (26)
2.1 断口诊断技术和方法…………………………………………………………… (26)
2.1.1 断口准备…………………………………………………………………… (26)
2.1.2 断口形貌诊断技术和方法………………………………………………… (29)
2.1.3 断口定量诊断技术和方法………………………………………………… (42)
2.2 裂纹诊断技术和方法…………………………………………………………… (52)
2.2.1 裂纹的无损检测…………………………………………………………… (52)
2.2.2 裂纹产生先后顺序诊断技术和方法……………………………………… (53)
2.2.3 裂纹的形貌诊断…………………………………………………………… (54)
2.2.4 裂纹综合诊断……………………………………………………………… (60)
2.3 痕迹诊断技术和方法…………………………………………………………… (65)
2.3.1 痕迹及痕迹分析概述……………………………………………………… (65)
2.3.2 痕迹的发现和显现技术及方法…………………………………………… (66)
2.3.3 痕迹的提取、固定、清洗、记录及保存技术和方法……………………… (66)
2.3.4 痕迹的鉴定………………………………………………………………… (67)
2.3.5 痕迹的模拟再现…………………………………………………………… (78)
2.3.6 痕迹的综合分析…………………………………………………………… (78)
2.4 腐蚀和磨损产物的诊断技术和方法…………………………………………… (79)
2.4.1 腐蚀和磨损产物的形貌诊断……………………………………………… (80)
2.4.2 腐蚀和磨损产物的成分诊断……………………………………………… (80)
2.4.3 腐蚀和磨损产物的结构诊断……………………………………………… (80)
2.5 综合诊断技术和方法…………………………………………………………… (81)
2.5.1 失效模式(性质)诊断技术和方法………………………………………… (81)
2.5.2 失效原因诊断技术和方法………………………………………………… (111)
2.5.3 失效机理诊断技术和方法………………………………………………… (125)
第3章材料失效预测学……………………………………………………………… (132)
3.1 基于材料(构件)失效模式的预测技术和方法………………………………… (132)
3.1.1 金属材料基于失效模式的预测技术和方法……………………………… (132)
3.1.2 非金属构件的失效预测…………………………………………………… (155)
3.2 材料(结构)失效力学预测技术和方法………………………………………… (162)
3.2.1 材料(结构)失效经典力学预测预防技术和方法………………………… (163)
3.2.2 材料(结构)失效断裂力学预测技术和方法……………………………… (172)
3.2.3 材料(结构)疲劳失效预测理论和方法…………………………………… (181)
3.2.4 材料(结构)损伤力学失效预测技术和方法……………………………… (190)
第4章材料安全评估学……………………………………………………………… (201)
4.1 概述……………………………………………………………………………… (201)
4.1.1 安全评估的概念…………………………………………………………… (202)
4.1.2 安全评估的一般原则……………………………………………………… (203)
4.1.3 失效模式的判别…………………………………………………………… (203)
4.1.4 安全评估的方法的选择…………………………………………………… (203)
4.1.5 安全评估技术的发展趋势………………………………………………… (204)
4.2 确定性断裂安全评估技术和方法……………………………………………… (204)
4.2.1 目前国内外规范中通用失效评估曲线…………………………………… (205)
4.2.2 静载条件下确定性安全评估方法………………………………………… (206)
4.2.3 疲劳失效确定性评定技术和方法………………………………………… (232)
4.2.4 其他失效模式的确定性安全评估技术和方法…………………………… (243)
4.3 概率安全评估方法……………………………………………………………… (249)
4.3.1 概述………………………………………………………………………… (249)
4.3.2 概率安全评估中主要参数的统计特性分析……………………………… (251)
4.3.3 静载下(含平面缺陷)概率安全评估方法………………………………… (255)
4.3.4 疲劳载荷下概率安全评估方法…………………………………………… (257)
4.4 工业风险评估及其主要方法和应用…………………………………………… (263)
4.4.1 概述………………………………………………………………………… (263)
4.4.2 风险评估的主要任务……………………………………………………… (265)
4.4.3 风险评估的主要技术和方法……………………………………………… (268)
4.4.4 风险评估的主要工业应用………………………………………………… (274)
4.4.5 风险评估的主要进展……………………………………………………… (279)
第5章失效预防技术和方法……………………………………………………… (282)
5.1 失效的工程预防技术和方法…………………………………………………… (282)
5.1.1 抗断裂失效设计技术……………………………………………………… (282)
5.1.2 制造工艺及质量控制技术………………………………………………… (284)
5.1.3 表面防护与强化工艺技术………………………………………………… (289)
5.1.4 故障排除与修理技术……………………………………………………… (294)
5.2 抗失效的材料选择和材料设计技术和方法…………………………………… (297)
5.2.1 抗变形失效材料的选择和设计方法……………………………………… (298)
5.2.2 抗断裂失效材料的选择和设计方法……………………………………… (302)
5.2.3 抗腐蚀失效材料的选择和设计方法……………………………………… (308)
5.2.4 抗磨损失效材料的选择和设计方法……………………………………… (312)
5.3 抗失效的机械设计技术和方法………………………………………………… (324)
5.3.1 抗脆断设计技术和方法…………………………………………………… (324)
5.3.2 抗韧断设计技术和方法…………………………………………………… (330)
5.3.3 抗疲劳设计技术和方法…………………………………………………… (331)
5.3.4 抗环境失效设计技术和方法……………………………………………… (341)
5.4 可靠性设计技术和方法………………………………………………………… (344)
5.4.1 可靠性设计基本概念……………………………………………………… (344)
5.4.2 可靠性设计方法…………………………………………………………… (349)
参考文献…………………………………………………………………………………… (351)

从人类认识客观世界的历史长河来说,人的认识是有限的,而客观世界是无限的。失效是人们的主观认识与客观事物相互脱离的结果,失效发生与否是不为人们的主观意志为转移的,因此,失效是绝对的,而安全则是相对的。失效分析是人们认识客观物理本质和规律的逆向思维探索,是对正向思维研究的不可缺少的重要补充,是变失效(失败)为安全(成功)的基本关键,是人们深化客观事物认识的知识源泉。失效分析、改进提高、再失效分析研究、再提高发展,如此往复循环、螺旋上升、发展飞跃,就是人类科学技术发展历史,乃至于社会发展历史的全过程,因此,广义地说,人类的科学技术发展史、社会发展史就是与广义失效不断作斗争,变失效(失败)为安全(成功)的历史。

当今,科学技术是第一生产力,高科技的发展已成为国民经济和国防科技发展的主要关键和依托,而高科技的发展也依赖于高科技发展中的失效分析预测和预防,因此,高科技的发展更需要失效诊断、预测和预防技术的进一步强化,并将失效诊断、预测和预防列为高科技的发展领域之内。总之,失效诊断、预测和预防是从失败入手着眼于成功和发展,是从过去入手着眼于未来和进步的科学技术领域,并且正向失效学这一分支学科方向发展。重视这一分支学科的发展,有意识地运用它已有的成就来分析、解决和攻克相关领域中的失效(失败、故障)问题,是人们走上成功、科技发展少走弯路的捷径之一。

基于以上原因,失效诊断、预测和预防领域的研究越来越为人们所重视,该领域的知识需求也越来越广泛,编写组编写了该教材,以期能对工科学校的本科高年级及硕士阶段失效诊断、预测和预防方面的学生培养提供一个较为系统的参考。本书最大的特点是不仅详细阐述了有关材料失效诊断的各种技术、方法、思路和过程,同时还深入探讨了各种含缺陷材料和结构的安全评定及失效的预测预防技术,即阐述了从“事故后分析处理”变到“事故前评估与预测”的一整套理论和方法。

本书共分5章,第1章简要介绍失效分析的地位、作用、基本概念、基本理论和方法等,由钟群鹏院士和有移亮撰写;第2章主要阐述断口分析、裂纹分析、痕迹分析以及综合分析等材料失效诊断的技术和方法,由张峥教授和傅国如高工撰写;第3章主要阐明以失效模式为基础的材料失效预测的基本理论和方法以及材料失效预测的力学和数学方法,由骆红云教授和孙永庆博士撰写;第4章阐述包括断裂、疲劳及失稳等多种失效模式材料(构件)的确定性和概率安全评估技术和方法,以及风险评估技术和方法,由骆红云教授撰写;第5章阐述基于材料设计技术、机械设计技术、材料(构件)监检测技术等的材料失效预防技术和方法等,由张峥教授撰写。在本书的编写过程中武汉大学王志成副教授参与了教材整体结构的设计。本书的出版得到了中南大学出版社周兴武老师的大力支持,作者在此一并致谢。

编者
2009年1月于北京

材料是国民经济、社会进步和国家安全的物质基础与先导,材料技术已成为现代工业、国防和高技术发展的共性基础技术,是当前最重要、发展最快的科学技术领域之一。发展材料技术将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形成和发展,同时又将带动传统产业和支柱产业的改造和产品的升级换代。

“十五”期间,我国材料领域在光电子材料、特种功能材料和高性能结构材料等方面取得了较大的突破,在一些重点方向迈入了国际先进行列。依据国家“十一五”规划,材料领域将立足国家重大需求,自主创新、提高核心竞争力、增强材料领域持续创新能力将成为战略重心。纳米材料与器件、信息功能材料与器件、高新能源转换与储能材料、生物医用与仿生材料、环境友好材料、重大工程及装备用关键材料、基础材料高性能化与绿色制备技术、材料设计与先进制备技术将成为材料领域研究与发展的主导方向。不难看出,这些主导方向体现了材料学科一个重要发展趋势,即材料学科正在由单纯的材料科学与工程向与众多高新科学技术领域交叉融合的方向发展。材料领域科学技术的快速进步,对担负材料科学与工程高等教育和科学研究双重任务的高等学校提出了严峻的挑战,为迎接这一挑战,高等学校不但要担负起材料科学与工程前沿领域的科学研究、知识创新任务,而且要担负起培养能适应材料科学与工程领域高速发展需求的、具有新知识结构的创新型高素质人才的重任。

为适应材料领域高等教育的新形势,2006—2010年教育部高等学校材料科学与工程教学指导委员会积极组织了材料类高等学校教材的建设规划工作,成立了规划教材编审委员会,编审委员会由相关学科的分教学指导委员会主任委员、委员以及全国30余所有影响力和代表性的高校材料学院院长组成。编审委员会分别于2006年10月和2007年5月在湖南张家界和中南大学召开了教材建设研讨会和教材提纲审定会。经教学指导委员会和编审委员会推荐和遴选,逾百名来自全国几十所高校的具有丰富教学与科研经验的专家、学者参加了这套教材的编写工作。历经几年的努力,这套教材终于与读者见面了,它凝结了全体编写者与组织者的心血,充分体现了广大编写者对教育部“质量工程”精神的深刻体会,对当代材料领域知识结构的牢固掌握和对高等教育规律的熟练把握,是我国材料领域高等教育工作者集体智慧的结晶。

这套教材基本涵盖了金属材料工程专业的主要课程,同时还包含了材料物理专业和材料化学专业部分专业基础课程,以及金属、无机非金属和高分子三大类材料学科的实验课程。整体看来,这套教材具有如下特色:①根据教育部高等学校教学指导委员会相关课程的“教学大纲”及“基本要求”编写;②统一规划,结构严谨,整套教材具有完整性、系统性,基础课与专业课之间的内容有机衔接;③注重基础,强调实践,体现了科学性、实用性;④编委会及作者由材料领域的院士、知名教授及专家组成,确保了教材的高质量及权威性;⑤注重创新,反映了材料科学领域的新知识、新技术、新工艺、新方法;⑥深入浅出,说理透彻,便于老师教学及学生自学。

教材的生命力在于质量,而提高质量是永恒的主题。希望教材的编审委员会及出版社能做到与时俱进,根据高等教育改革和发展的形势及材料专业技术发展的趋势,不断对教材进行修订、改进、完善,精益求精,使之更好地适应高等教育人才培养的需要,也希望他们能够一如既往地依靠业内专家,与科研、教学、产业第一线人员紧密结合,加强合作,不断开拓,出版更多的精品教材,为高等教育提供优质的教学资源和服务。

衷心希望这套教材能在我国材料高等教育中充分发挥它的作用,也期待着在这套教材的哺育下,新一代材料学子能茁壮成长,脱颖而出。

黄伯云
2008年9月