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第1篇 基础研究方法篇 2

第1章 绪论 2

1.1 高技术与现代固体材料 2

1.2 现代固体材料的分类 4

1.3 固体材料的力学行为概述 4

1.4 材料力学行为的研究与应用 5

1.4.1 弹性变形 5

1.4.2 塑性变形 9

1.4.3 断裂行为 9

1.4.4 疲劳行为 10

1.4.5 蠕变行为 12

参考文献 13

第2章 单向拉伸压缩试验与分析 14

2.1 引言 14

2.1.1 弹性阶段 18

2.1.2 屈服阶段 21

2.1.3 强化阶段 25

2.1.4 颈缩阶段 26

2.2 金属材料拉伸现象的细微观解释 27

2.2.1 金属材料的弹性 27

2.2.2 金属材料的屈服 28

2.2.3 金属材料的应变强化 29

2.2.4 材料颈缩阶段出现断裂 29

2.3 弹性破坏与断裂准则 30

2.4 应力集中和缺口效应对材料断裂的影响 32

2.4.1 缺口应力集中系数或强度降低系数 33

2.4.2 加载速率或应变速率对材料力学性能的影响 34

2.4.3 拉伸试验的步骤 34

2.5 特殊试样的拉伸压缩试验方法与分析 35

2.6 断口分析 40

参考文献 42

第3章 残余应力检测与分析 43

3.1 引言 43

3.2 残余应力的测量方法 44

3.2.1 物理式残余应力测试方法 44

3.2.2 机械式残余应力测试方法 44

3.3 机械式平面残余应力测试方法 45

3.3.1 小孔释放法基本原理 45

3.3.2 反向加载的载荷计算 45

3.3.3 用应变花测量残余主应力及方向 46

3.4 机械式三维残余应力的测试与分析方法 49

3.4.1 应用广义胡克定律的测量方法 50

3.4.2 应用三维静力平衡方程式的测量方法 51

3.5 磁测残余应力方法 53

3.5.1 磁测技术分类 54

3.5.2 巴克豪生效应在无损检测与评估中的应用 54

3.5.3 影响磁测残余应力的主要因素 58

3.5.4 四极磁探头的磁测残余应力模型 61

3.6 磁测残余应力试验分析 63

3.7 磁测残余应力的应用实例 63

3.7.1 宝山钢铁厂新型钢材焊接残余应力检测 63

3.7.2 扬子石化压力容器焊缝附近残余应力检测 66

参考文献 74

第4章 小尺度下力学行为SEM原位试验与分析 77

4.1 引言 77

4.2 SEM原位力学行为试验的工作原理与特点 78

4.2.1 扫描电子显微镜的工作原理与特点 78

4.2.2 试样加热、加载下的SEM原位试验 85

4.3 SEM原位力学行为试验用试样制备技术 88

4.4 SEM原位扫描图片景深比较 91

参考文献 92

第5章 疲劳试验基本概念与方法 94

5.1 引言 94

5.2 疲劳试验方法简介 97

5.3 疲劳的基本概念 98

5.4 疲劳裂纹扩展速率的评价方法 109

5.4.1 疲劳裂纹扩展的线弹性破坏力学 109

5.4.2 疲劳裂纹扩展的弹塑性破坏力学 111

5.5 一种简单疲劳寿命预测方法 116

5.6 特殊条件下的疲劳行为 122

5.6.1 接触疲劳 122

5.6.2 微动疲劳 123

5.6.3 多轴疲劳 124

5.6.4 疲劳寿命的表征 125

5.6.5 聚合物材料的疲劳问题 125

参考文献 126

第2篇 专题研究应用篇 132

第6章 “三明治”复合结构材料的力学行为试验研究 132

6.1 引言 132

6.1.1 国内外对夹层板的研究简述 132

6.1.2 夹层板的理论设计基础 135

6.2 “三明治”复合结构材料的制备工艺特点 140

6.3 “三明治”复合结构材料的力学行为试验与分析 141

6.3.1 拉伸试验结果与分析 141

6.3.2 U3Si2-Al复合燃料板三点弯曲试验与分析 145

6.3.3 U3Si2-Al复合燃料板疲劳试验结果与分析 147

6.4 “三明治”复合结构核材料界面附近变形的数字散斑分析方法 150

6.4.1 DSCM对SEM图片的适应性实验 151

6.4.2 刚体位移实验 154

6.4.3 SEM原位弯曲载荷对应的图像序列 156

6.5 复合材料层压板疲劳寿命简便估计方法 159

参考文献 161

第7章 超高强度钢的微观力学行为SEM原位试验与分析 162

7.1 引言 162

7.1.1 超高强度钢的力学性能特点 162

7.1.2 超高强度钢的应用 163

7.1.3 超高强度钢总体发展趋势 163

7.1.4 含夹杂物的超高强度钢微观破坏机制研究的意义 164

7.1.5 夹杂物附近疲劳裂纹萌生方式 165

7.2 超高强度钢的一般制备工艺 166

7.2.1 金属的强化手段 166

7.2.2 本实验研究中所用的超高强度钢 167

7.3 含夹杂物的超高强度钢的SEM原位静态拉伸试验与分析 168

7.3.1 实验设备与试样制备 168

7.3.2 SEM原位静态拉伸试验结果与分析 169

7.4 含夹杂物的超高强度钢的SEM原位疲劳试验与分析 171

7.5 夹杂物形状、大小对裂纹萌生与扩展的影响分析 173

7.5.1 夹杂物形状对裂纹萌生与扩展的影响 173

7.5.2 夹杂物形状对裂纹萌生位置的影响 174

7.5.3 夹杂物大小的影响 176

7.5.4 压痕标记对裂纹扩展的影响 177

7.6 含夹杂物的超高强度钢的应力应变场有限元模拟分析 180

7.6.1 疲劳微裂纹萌生的两个模型：棘轮效应与Shake-Down模型 180

7.6.2 硬质夹杂周围应力场的有限元分析 181

参考文献 187

第8章 镁铝合金微观力学行为试验研究 190

8.1 引言 190

8.1.1 镁及镁铝合金的性能特点 190

8.1.2 镁铝合金的工业应用 191

8.1.3 镁铝合金的发展方向 193

8.1.4 镁铝合金的研究现状 194

8.2 铸造镁铝合金疲劳裂纹萌生与扩展行为研究 195

8.2.1 材料与试验方法 195

8.2.2 疲劳小裂纹萌生规律 196

8.2.3 疲劳小裂纹扩展特征 198

8.2.4 疲劳裂纹扩展速率的评价方法 200

8.3 高温下的镁铝合金疲劳行为研究 204

8.3.1 高温条件下铸造AM50合金的疲劳裂纹扩展速率表征 204

8.3.2 影响铸造AM50合金高温疲劳裂纹扩展速率的变化机理 205

8.4 Ca/Sr添加对铸造镁铝合金的力学行为影响 207

8.4.1 Ca/Sr添加对AZ91D合金的组织及力学性能的影响 207

8.4.2 Ca/Sr添加镁铝合金的原位拉伸试验研究与分析 209

8.5 缺口对铸造镁铝合金的力学行为影响讨论 220

8.5.1 应力集中的影响 220

8.5.2 有限元模拟分析 222

参考文献 231

第9章 导电高分子薄膜力学行为试验研究 235

9.1 引言 235

9.2 导电高分子薄膜制备工艺与力学 240

9.2.1 导电高分子制备过程 240

9.2.2 导电高分子薄膜沉积机理与分析 240

9.3 导电高分子薄膜力学行为试验与分析 252

9.3.1 实验方法及装置简介 252

9.3.2 导电聚噻吩薄膜材料试验结果与讨论 254

9.3.3 导电聚吡咯薄膜的强度参数检测及比较 257

9.4 导电高分子薄膜显微结构与力学行为间的关系 259

9.5 断口分析与聚吡咯薄膜微结构分析 261

9.6 热-力学参数对薄膜力学行为的影响 266

参考文献 268

第10章 膜-基结构力学行为SEM原位检测与模型化 270

10.1 引言 270

10.1.1 常见MEMS/ULSI中薄膜材料简介 273

10.1.2 薄膜材料-基体的失效模式 274

10.2 磁控溅射薄膜的相关实验方法 278

10.2.1 磁控溅射薄膜的制备 278

10.2.2 薄膜内应力分析 280

10.2.3 膜-基结合强度的确定方法 283

10.3 弹性各向异性对薄膜表面稳定性的影响 290

10.3.1 薄膜系统的线性摄动分析 292

10.3.2 薄膜-基体结构中应力分布的讨论 293

10.3.3 摄动张量～σf的Airy应力函数的表达 294

10.3.4 薄膜中的摄动应力分布 295

10.3.5 薄膜-基体结构的总能量确定方法 297

10.3.6 薄膜表面摄动的临界波长和最佳波长 298

10.3.7 薄膜的弹性各向异性的影响 300

10.4 膜-基结构SEM原位试验与失效分析 303

10.4.1 膜-基结构的失效模式概述 303

10.4.2 膜-基结构的三点弯曲时SEM原位失效行为试验及模型化 307

10.4.3 单层膜-基结构中失效应力的评价 313

10.4.4 膜-基结构的四点弯曲失效 315

参考文献 321

第11章 电子器件SMT焊点结构的高周疲劳失效行为研究 327

11.1 引言 327

11.2 电子封装研究的必要性和复杂性 328

11.3 拉-拉疲劳载荷下焊点结构疲劳失效行为SEM原位研究 333

11.4 对四点弯曲疲劳载荷下焊点疲劳失效行为的SEM原位观测研究 344

11.5 对SMT焊点结构响应的有限元分析 347

11.5.1 SnPb块体材料的本构方程 348

11.5.2 SMT焊点结构有限元模型的建立 350

11.5.3 基板受不同静拉伸载荷作用时的有限元计算 352

11.5.4 基板受疲劳载荷作用时的有限元计算 354

11.5.5 基板在四点弯曲载荷作用下的有限元模拟计算 356

11.6 焊点结构的应力-应变响应 359

11.6.1 拉伸（疲劳）载荷作用下的应力-应变响应 359

11.6.2 四点弯曲载荷作用下的应力-应变响应 363

11.7 SMT焊点结构的失效评估和寿命预测 364

11.7.1 疲劳裂纹扩展速率表征 364

11.7.2 疲劳寿命模型与预测 367

参考文献 374

第12章 生物材料微结构与力学行为检测 377

12.1 引言 377

12.2 典型案例一：蜻蜓翅膀微结构对其飞行力学性能影响的初探 377

12.3 典型案例二：猴头牵引试验与分析 388

12.4 典型案例三：扩弓试验与分析 396

12.5 典型案例四：苍蝇小腿微结构与仿生分析 401

12.6 典型案例五：“爬墙虎”植物微结构与吸附机理 403

参考文献 405

附录A 试验研究报告写作范例 406

附录B 研究性论文写作范例 411

参考文献 417

附录C 中英文名词对照 418