斷口形貌學(xué)

前言

　　我很高興能有機(jī)會(huì)為本書的中文版撰寫序言。關(guān)于本書的主要內(nèi)容以及全書的主旨，已經(jīng)在本書的英文版序言中提及，因此不再贅述。我從朋友那里得知，我的另一本專著《復(fù)合材料簡(jiǎn)介》在中國(guó)很受歡迎，因此，我希望由李曉剛教授翻譯的這本《斷口形貌學(xué)》也能為中國(guó)的科學(xué)和工程事業(yè)作出貢獻(xiàn)。　　斷口形貌學(xué)以一種獨(dú)特的視角來(lái)研究從固體物理到工程失效分析不同門類、不同學(xué)科的內(nèi)容；對(duì)于微結(jié)構(gòu)分析以及裂紋擴(kuò)展機(jī)理和機(jī)制的理解，也是一種非常有益的手段。對(duì)于和我一樣，對(duì)各種斷口形貌的觀察和圖案非常感興趣的人來(lái)說(shuō)，本書也是一本難得的工具書?！　”緯膬?nèi)容來(lái)源很廣，涉及多個(gè)學(xué)科和工程領(lǐng)域。長(zhǎng)久以來(lái)，無(wú)數(shù)的科學(xué)家以及工程人員都在努力探究各種形態(tài)的斷裂現(xiàn)象，本書有賴于他們的學(xué)識(shí)和專業(yè)技術(shù)。書中的大部分成果都是西方世界科學(xué)研究的結(jié)晶。但我也堅(jiān)信，在地球上的其他地方，一定也有很多人進(jìn)行著類似的工作，特別是對(duì)于中國(guó)科學(xué)家和工程人員的工作，我還未能有適當(dāng)?shù)恼J(rèn)知。對(duì)于未來(lái)東西方之間在學(xué)術(shù)上進(jìn)行更深刻和廣泛的交流溝通，我翹首以盼。今年是第29屆奧運(yùn)會(huì)在中國(guó)舉辦的大喜之年，借此機(jī)會(huì)，存在于我們之間的各種溝通障礙，無(wú)論是在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治和文化方面，都被大大地削弱了，我想這會(huì)有助于我們的合作，從而使我們雙方在科學(xué)和工程領(lǐng)域都取得更大的進(jìn)步。

內(nèi)容概要

本書譯自利物浦大學(xué)和牛津大學(xué)教授Derek Hull的Fractography一書，包括10章。第1章重點(diǎn)介紹了斷口形貌學(xué)的學(xué)科本質(zhì);第2章用精美的圖像展示了各種斷口，并對(duì)斷口形貌的主要特點(diǎn)進(jìn)行了描述；第3章介紹沿著三維雙曲率表面擴(kuò)展的裂紋；第4章著重介紹應(yīng)力場(chǎng)效應(yīng)；第5章介紹的是應(yīng)力強(qiáng)度和斷裂速度對(duì)于斷口表面粗糙度的影響；第6章中將介紹晶體解理；第7章中介紹界面和相間裂紋擴(kuò)展；第8章中將介紹延性斷裂；第9章對(duì)裂紋擴(kuò)展時(shí)，驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的條件發(fā)生變化所導(dǎo)致的斷口表面形貌特點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明；第10章從微觀結(jié)構(gòu)分析和失效分析等方面介紹斷口形貌分析的應(yīng)用。    本書適合本科高年級(jí)學(xué)生、研究生以及相關(guān)行業(yè)的科研人員和工程師、失效工程師使用。

書籍目錄

《材料腐蝕叢書》序中文版序譯者的話簡(jiǎn)介序致謝第1章  斷口表面形貌觀察、測(cè)量和分析的有關(guān)概念  1.1  觀察的角度  1.2  尺度問(wèn)題    1.2.1  概述    1.2.2  分形幾何學(xué)    1.2.3  微觀結(jié)構(gòu)尺寸和應(yīng)力場(chǎng)  1.3  什么是裂紋  1.4  裂紋的起源    1.4.1  引言    1.4.2  形變導(dǎo)致的裂紋形核    1.4.3  裂紋形核的其他問(wèn)題  1.5  裂紋的力學(xué)和微觀力學(xué)    1.5.1  引言    1.5.2  橢圓孔和裂紋周圍的應(yīng)力場(chǎng)    1.5.3  裂紋擴(kuò)展的Griffith和Irwin臨界條件    1.5.4  其他問(wèn)題第2章  觀察、描述和測(cè)量斷口表面形貌：相關(guān)基礎(chǔ)以凱頓石為例  2.1  正確觀察三維形貌圖的方法  2.2  歷史概要  2.3  什么是凱頓石  2.4  Hooke的觀察  2.5  光學(xué)顯微鏡    2.5.1  肉眼觀察    2.5.2  概述    2.5.3  分辨率和景深    2.5.4  幾何學(xué)的問(wèn)題    2.5.5  照明(度)  2.6  光學(xué)截面和斷口形貌細(xì)節(jié)的定量描述  2.7  共焦掃描光學(xué)顯微術(shù)  2.8  SEM    2.8.1  概述    2.8.2  二次電子像和背散射電子像    2.8.3  分辨率、放大率和景深    2.8.4  幾何學(xué)方面的問(wèn)題  2.9  SEM和凱頓石  2.10  斷口表面研究的其他實(shí)驗(yàn)步驟第3章  傾斜裂紋  3.1  雙曲線型平滑曲線裂紋的演變  3.2  加載模式  3.3  幾何約束    3.3.1  傾斜和扭轉(zhuǎn)的定義    3.3.2  形成平滑表面的裂紋擴(kuò)展    3.3.3  裂紋擴(kuò)展的實(shí)驗(yàn)觀察  3.4  在混合模式I-II下的裂紋擴(kuò)展或演變  3.5  裂紋彎曲第4章  河流花樣  4.1  河流花樣的斷口形貌特征  4.2  晶體解理面上河流花樣的形成    4.2.1  裂紋和螺型位錯(cuò)相交形成的臺(tái)階    4.2.2  晶體固體中的臺(tái)階高度的增大  4.3  非晶脆性固體中的河流花樣：Sommer實(shí)驗(yàn)  4.4  應(yīng)用干涉光學(xué)顯微鏡測(cè)量斷口表面形貌  4.5  不同固體中河流花樣的實(shí)例  4.6  河流花樣臺(tái)階的形核  4.7  臺(tái)階的分離第5章  鏡面區(qū)、霧狀區(qū)和鋸齒帶：表面粗糙度、開裂速度和動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度  5.1  鏡面區(qū)、霧狀區(qū)和鋸齒帶的含義  5.2  粗糙度分布圖的測(cè)量得到斷口表面形貌    5.2.1  Takahashi和Arakawa的實(shí)驗(yàn)    5.2.2  粗糙度測(cè)量    5.2.3  粗糙度參數(shù)  5.3  粗糙度隨Kd和v變化的幾個(gè)例子  5.4  粗糙度的起源    5.4.1  擴(kuò)展裂紋前端的微裂紋形核和擴(kuò)展    5.4.2  擴(kuò)展裂紋前端的塑性形變    5.4.3  微觀分支的擴(kuò)展與增加導(dǎo)致宏觀分支和分叉  5.5  AFM圖像和形貌細(xì)節(jié)之間的關(guān)系  5.6  漸進(jìn)粗糙化的直接觀察第6章  晶體固體的解理  6.1  晶體解理  6.2  關(guān)于晶體學(xué)方面的問(wèn)題  6.3  云母的解理  6.4  鋅的斷裂  6.5  方解石上的河流花樣  6.6  斷口表面干涉圖案的分析    6.6.1  鼓泡和楔形處的干涉    6.6.2  有銀紋的聚合物斷口表面的干涉      6.6.3  瞬時(shí)斷裂表面特征  6.7  砷化鎵的塊斷裂    6.7.1  三點(diǎn)彎曲測(cè)試法      6.7.2  確定解理面的取向    6.7.3  粗糙表面  6.8  體心立方金屬(包括鋼)的解理以及應(yīng)力強(qiáng)度效應(yīng)    6.8.1  沿孿晶－基體界面的解理    6.8.2  漸進(jìn)粗糙  6.9  定量體視顯微鏡和平坦刻面取向的確定  6.10  多晶材料的解理斷裂第7章  界面處的斷裂  7.1  界面處的裂紋  7.2  界面和相間斷裂  7.3  斷口形貌學(xué)的復(fù)型技術(shù)  7.4  界面和相間斷口表面的化學(xué)和物理分析  7.5  晶體中的界面失效：晶間斷裂  7.6  復(fù)合材料中的界面失效：珍珠母  7.7  界面斷裂和微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)第8章  延性斷裂  8.1  “延性”斷裂的含義  8.2  金屬和聚合物的頸縮與拉伸    8.2.1  純金屬    8.2.2  平面應(yīng)力和平面應(yīng)變    8.2.3  聚合物的冷拉伸    8.3  杯錐斷口  8.4  小孔的形核    8.4.1  組織的不均勻性    8.4.2  聚合物中的纖維化    8.4.3  銀紋和斷裂    8.4.4  非晶金屬(金屬玻璃)中的剪切帶    8.5  擴(kuò)展裂紋尖端處的延性斷裂    8.5.1  宏觀觀察    8.5.2  裂紋尖端的分離過(guò)程  8.6  一個(gè)地質(zhì)學(xué)的等價(jià)解釋  8.7  共軛斷裂表面的形貌特征第9章  裂紋動(dòng)力學(xué)效應(yīng)  9.1  簡(jiǎn)介：聲速和裂紋速度  9.2  瓦納線和應(yīng)力波斷口形貌學(xué)    9.2.1  瓦納線    9.2.2  應(yīng)力波斷口形貌      9.2.3  測(cè)量裂紋速度的其他方法    9.2.4  其他的瓦納線效應(yīng)  9.3  裂紋的不連續(xù)擴(kuò)展：停止一繼續(xù)  9.4  在循環(huán)加載條件下裂紋擴(kuò)展造成的裂紋前緣條紋    9.4.1  機(jī)械疲勞    9.4.2  收縮驅(qū)動(dòng)開裂  9.5  瞬時(shí)斷裂形貌細(xì)節(jié)和環(huán)境效應(yīng)    9.5.1  瞬時(shí)斷裂表面    9.5.2  環(huán)境對(duì)裂紋形核和擴(kuò)展機(jī)理的影響    9.5.3  化學(xué)變化第10章  斷口形貌學(xué)的應(yīng)用  10.1  斷口形貌學(xué)的重要性  10.2  微觀結(jié)構(gòu)分析    10.2.1  在室溫下呈脆性的材料      10.2.2  軟性材料的微觀結(jié)構(gòu)  10.3  新材料開發(fā)和現(xiàn)有材料改進(jìn)    10.3.1  夾雜物(及微觀組織)對(duì)鋼的脆性的作用      10.3.2  復(fù)合材料的韌性  10.4  失效分析的診斷工具    10.4.1  一般性問(wèn)題    10.4.2  實(shí)例    10.4.3  儲(chǔ)罐失效的案例分析參考文獻(xiàn)附錄  圖1.1的分析：普通用途級(jí)聚苯乙烯的斷口表面中英文對(duì)照表

章節(jié)摘錄

　　很多復(fù)合材料中，裂紋擴(kuò)展阻力的一個(gè)很重要的特征是“裂紋橋接”。正如早先所指出的，這一點(diǎn)在陶瓷基復(fù)合材料中尤為重要。裂紋橋接幾乎可以發(fā)生在所有的材料中。在對(duì)斷口表面形貌進(jìn)行分析時(shí)，對(duì)裂紋橋接的特點(diǎn)有所了解是非常有幫助的。圖10.37介紹了裂紋橋接的機(jī)理。圖10.37（a）中，垂直于裂紋平面的纖維從裂紋的一個(gè)表面延伸到了另一個(gè)表面。當(dāng)裂紋張開時(shí)，纖維從原來(lái)嵌人的護(hù)套中拔了出來(lái)。纖維被拔出的長(zhǎng)度以及拔出纖維所需要的能量依賴于界面的性質(zhì)和其他因素，如纖維強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布等。類似的情況也適用于短纖維復(fù)合材料。圖10.37（b）中，主裂紋平行于纖維方向，橋接的發(fā)生是由于錯(cuò)排的纖維和裂紋在相鄰平面內(nèi)的擴(kuò)展造成的。圖10.37（c）和（d）中的橋接是分別由延性或剛性的第二相粒子造成的。圖10.37（e）中解理裂紋是由連接帶進(jìn)行橋接的，這種連接帶形成于多晶金屬或陶瓷材料中主裂紋的前端。　　在所有這些圖中，橋接部分都產(chǎn)生了裂紋擴(kuò)展的阻力。在裂紋擴(kuò)展的早期階段，隨著裂紋長(zhǎng)度的增大，由于橋接部分的增大，阻力也會(huì)相應(yīng)的增大。在這個(gè)階段，KIC和GIC隨著裂紋的增長(zhǎng)而增大。其結(jié)果可以用一條阻力曲線來(lái)表示，這條阻力曲線被稱為R曲線。在斷口形貌分析方面，從圖l0.37（a）～（e）的截面中可以明顯地看出確定裂尖位置的難度。圖10.37（f）表示的是在裂紋平面內(nèi)的“橋接”裂紋，裂尖在橋接部分之間發(fā)生了彎曲?！　?0.4失效分析的診斷工具　　10.4.1一般性問(wèn)題　　在很多產(chǎn)品使用中，失效常常和斷裂有關(guān)，斷口形貌學(xué)就可用來(lái)對(duì)這種失效進(jìn)行分析。這些產(chǎn)品包括從相對(duì)瑣碎的物品，如工具、梯子、假牙、玩具等，到非常大型的工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、輪船和飛機(jī)等。因此很有必要確定失效產(chǎn)生的原因以確保將來(lái)類似產(chǎn)品的可靠性和安全性，從而避免人身傷亡、財(cái)產(chǎn)損失以及利潤(rùn)降低等風(fēng)險(xiǎn)。有時(shí)，對(duì)斷口表面作一個(gè)簡(jiǎn)單的檢查就足以確認(rèn)失效的原因，而不需要借助更為復(fù)雜的技術(shù)。在其他時(shí)候，則需要使用各種各樣的技術(shù)并進(jìn)行廣泛的分析才能確認(rèn)相關(guān)原因。這時(shí)，斷口形貌分析人員的技能和經(jīng)驗(yàn)是最重要的。有關(guān)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)影響斷口形貌各種因素有相關(guān)了解，同時(shí)能正確解析斷口表面圖像。

編輯推薦

　　從經(jīng)典的光學(xué)顯微鏡到先進(jìn)的原子力顯微鏡，從常用的金屬材料到似乎毫無(wú)關(guān)聯(lián)的冰淇淋，應(yīng)用不同的材料制樣技巧與斷口形貌分析理論，從材料微觀結(jié)構(gòu)的角度揭示了斷口形貌的特點(diǎn)?！　∩钊霚\出的文字，清晰生動(dòng)的圖片，引經(jīng)據(jù)典的分析，無(wú)論是專業(yè)的失效分析工程師還是剛剛?cè)腴T的本科生，每個(gè)人都可以從書中得到自己對(duì)斷口形貌學(xué)的理解和感悟?！　∩詈竦膶I(yè)學(xué)術(shù)背景、豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，以及純熟的人文學(xué)術(shù)功底，曾在利物浦大學(xué)和牛津大學(xué)任教的Derek HuIl教授為讀者展示了一個(gè)生動(dòng)、清晰的斷口形貌學(xué)。

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