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材料疲劳理论与工程应用 版权信息
- ISBN：9787030366481
- 条形码：9787030366481 ; 978-7-03-036648-1
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
材料疲劳理论与工程应用 内容简介
本书扼要叙述了金属疲劳裂纹起始与扩展的微观机理，以建立疲劳裂纹起始与扩展宏观力学模型的依据，进而重点论述了材料疲劳宏观力学模型的建立，基本疲劳公式的导出，包括疲劳裂纹起始寿命公式和疲劳裂纹扩展速率公式，并用实验结果、包括文献中的实验结果进行验证。本书以这些基本的疲劳公式为指导，展开材料疲劳各个方面的研究，包括特殊服役环境中的疲劳、疲劳试验数据的统计分析，以给出带存活率的疲劳寿命表达式、变幅载荷下的疲劳寿命及其概率分布的预测模型及验证、典型结构件的寿命预测、等幅和变幅载荷下的疲劳延寿技术，以及非金属材料的疲劳及寿命预测等。
材料疲劳理论与工程应用 目录
目录
前言
主要符号对照表
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 疲劳研究的目的 2
1.3 疲劳研究的内容和方法 3
1.4 疲劳研究中应考虑的因素 6
1.5 本书编写的目的与主要内容 9
1.6 结语 11
参考文献 11
**部分 基本的疲劳公式
第2章 应变疲劳公式 17
2.1 引言 17
2.2 应变疲劳的由来与发展 17
2.3 应变疲劳寿命曲线与表达式 19
2.4 应变疲劳公式 24
2.5 应变疲劳寿命的预测 29
2.6 高温应变疲劳表达式 33
2.7 结语 36
参考文献 36
第3章 循环局部应变范围的近似公式 40
3.1 引言 40
3.2 切口的应力应变分析 40
3.3 局部应变范围的近似计算公式 46
3.4 局部应变范围的通用近似计算公式 51
3.5 超载对局部应变范围的影响 52
3.6 结语 53
参考文献 54
第4章 疲劳裂纹起始寿命公式 57
4.1 引言 57
4.2 疲劳裂纹起始的过程和机理 58
4.3 疲劳裂纹起始寿命 62
4.4 疲劳裂纹起始的力学模型 66
4.5 铝合金的疲劳裂纹起始寿命与门槛值 68
4.6 高强度低合金钢的疲劳裂纹起始寿命 70
4.7 超高强度钢的疲劳裂纹起始寿命 73
4.8 钛合金的疲劳裂纹起始寿命 75
4.9 疲劳裂纹起始抗力系数与门槛值 75
4.10 金属材料疲劳裂纹起始寿命的预测 79
4.11 结语 82
参考文献 83
第5章 应力疲劳寿命公式 88
5.1 引言 88
5.2 应力疲劳寿命公式与疲劳极限的研究 89
5.3 应力疲劳寿命的一般公式 91
5.4 金属材料在交变对称循环载荷下的应力疲劳寿命与表达式 94
5.5 金属材料不同应力比下的应力疲劳寿命与表达式 99
5.6 理论疲劳极限 103
5.7 等寿命图及表达式 108
5.8 疲劳切口敏感度 114
5.9 切口试件的疲劳寿命表达式 116
5.10 复合应力状态下金属材料的疲劳强度 118
5.11 结语 120
参考文献 121
第6章 疲劳裂纹扩展速率公式——疲劳裂纹扩展的力学模型 124
6.1 引言 124
6.2 疲劳裂纹扩展的一般规律 125
6.3 影响疲劳裂纹扩展速率的因素 126
6.4 疲劳裂纹扩展的机理 129
6.5 疲劳裂纹扩展的力学模型 135
6.6 钢的疲劳裂纹扩展速率 140
6.7 铝合金的疲劳裂纹扩展速率 145
6.8 钛合金疲劳裂纹扩展速率 147
6.9 疲劳裂纹扩展门槛值 149
6.10 金属材料疲劳裂纹扩展速率的预测 153
6.11 描述材料完整疲劳裂纹扩展行为的新公式 155
6.12 关于疲劳短裂纹问题 166
6.13 结语 169
参考文献 169
第7章 热疲劳寿命表达式 174
7.1 引言 174
7.2 模具钢的热寿命表达式 174
7.3 热障涂层的热疲劳寿命表达式 177
7.4 结语 180
参考文献 180
第二部分 特殊服役条件下的疲劳
第8章 金属的低温疲劳 185
8.1 引言 185
8.2 低温下金属材料的拉伸性能与疲劳极限 186
8.3 低温下金属材料的应变疲劳 188
8.4 金属材料的低温疲劳裂纹起始寿命 192
8.5 低温疲劳裂纹起始寿命的预测 196
8.6 低温下金属材料疲劳裂纹扩展的一般规律 199
8.7 低温下铝合金的疲劳裂纹扩展速率 205
8.8 低温下高强度低合金钢的疲劳裂纹扩展速率 207
8.9 低温下金属的疲劳裂纹扩展门槛值 210
8.10 具有面心立方晶格金属的低温疲劳裂纹扩展速率的预测 213
8.11 低碳钢的低温疲劳裂纹扩展速率的预测 215
8.12 低温下疲劳裂纹扩展的韧脆转变 216
8.13 结语 218
参考文献 219
第9章 金属的腐蚀疲劳 222
9.1 引言 222
9.2 气体环境对金属疲劳性能的影响 223
9.3 液体环境对金属疲劳性能的影响 229
9.4 腐蚀环境中金属的应变疲劳寿命 236
9.5 金属材料的腐蚀疲劳裂纹起始寿命 240
9.6 关于腐蚀疲劳裂纹起始抗力系数和门槛值 244
9.7 腐蚀环境中金属的疲劳裂纹扩展一般规律 245
9.8 腐蚀环境中铝合金的疲劳裂纹扩展速率 248
9.9 钛合金的腐蚀疲劳裂纹扩展速率 254
9.10 腐蚀环境中钢的疲劳裂纹扩展速率 255
9.11 结语 257
参考文献 258
第10章 金属在冲击载荷下的疲劳 261
10.1 引言 261
10.2 关于冲击疲劳的研究 261
10.3 试件柔度的计算与试验标定 264
10.4 冲击力的计算与测定 268
10.5 冲击疲劳试验条件下KⅠ的表达式 269
10.6 冲击疲劳载荷下的疲劳裂纹起始寿命 270
10.7 预测冲击疲劳裂纹起始寿命的可能性 273
10.8 冲击疲劳载荷下金属的疲劳裂纹扩展速率 274
10.9 结语 276
参考文献 276
第11章 金属的微动疲劳 278
11.1 引言 278
11.2 微动损伤的特征与机理 278
11.3 微动疲劳的试验方法 281
11.4 影响微动损伤的因素 282
11.5 微动疲劳寿命表达式 286
11.6 微动疲劳损伤的防治 289
11.7 结语 291
参考文献 291
第三部分 疲劳数据的统计分析与带存活率的疲劳寿命曲线表达式
第12章 疲劳试验数据的统计分析方法 295
12.1 引言 295
12.2 疲劳试验数据的分散性 295
12.3 疲劳试验数据的统计分析基础 297
12.4 正态分布 300
12.5 韦布尔分布 306
12.6 绘制安全寿命曲线的作图法 307
12.7 疲劳极限的试验测定 310
12.8 结语 313
参考文献 314
第13章 带存活率的疲劳寿命曲线与疲劳强度的概率分布 315
13.1 引言 315
13.2 绘制带存活率的疲劳寿命曲线的解析法(Ⅰ) 315
13.3 疲劳强度的概率分布 319
13.4 疲劳寿命概率分布对P-S-N曲线和疲劳强度概率分布的影响 320
13.5 绘制带存活率的疲劳寿命曲线的解析法(Ⅱ) 323
13.6 确定带存活率疲劳寿命曲线和疲劳强度概率分布的简化解析法 325
13.7 确定带存活率的疲劳寿命曲线的三种方法的趋同性 329
13.8 关于疲劳裂纹扩展速率的分散性与P-ΔK-da/dN曲线 334
13.9 结语 335
参考文献 336
第四部分 变幅载荷下疲劳寿命估算模型
第14章 疲劳裂纹起始的超载效应 339
14.1 引言 339
14.2 疲劳裂纹起始的超载效应研究的简要回顾 339
14.3 高强度铝合金疲劳裂纹起始的超载效应 344
14.4 超载效应因子 346
14.5 高强度低合金钢疲劳裂纹起始的超载效应 348
14.6 中碳钢疲劳裂纹起始的超载效应 353
14.7 铝合金孔挤压件疲劳裂纹起始的超载效应 354
14.8 结语 355
参考文献 355
第15章 变幅载荷下疲劳寿命及概率分布的预测 358
15.1 引言 358
15.2 寿命预测中应考虑的因素 359
15.3 变幅载荷下铝合金切口件疲劳裂纹起始寿命的预测模型 363
15.4 变幅载荷下低合金高强度钢的切口件疲劳裂纹起始寿命的预测 366
15.5 变幅载荷下中碳钢切口件的疲劳寿命的预测 369
15.6 铝合金孔壁挤压件的寿命预测 372
15.7 变幅载荷下铝合金疲劳裂纹起始寿命概率分布的预测 373
15.8 变幅载荷下高强度低合金钢疲劳寿命概率分布的预测 377
15.9 中碳钢切口件变幅载荷下疲劳寿命概率分布的预测 380
15.10 白铜丝两级载荷下疲劳寿命概率分布的预测 386
15.11 结语 389
参考文献 390
第16章 疲劳寿命预测中的小载荷省略准则 392
16.1 引言 392
16.2 关于疲劳损伤的研究 393
16.3 小载荷省略准则研究的理论基础 394
16.4 高强度低合金钢切口件的小载荷省略准则 395
16.5 中碳钢切口件的小载荷省略准则 396
16.6 中碳钢摩擦焊接头的小载荷省略准则 400
16.7 结语 407
参考文献 407
第17章 变幅载荷下铝合金腐蚀疲劳裂纹起始寿命的预测 410
17.1 引言 410
17.2 铝合金腐蚀疲劳裂纹起始的超载效应 411
17.3 变载下铝合金切口件腐蚀疲劳裂纹起始寿命的预测模型与验证 414
17.4 结语 418
参考文献 418
第五部分 某些典型结构件的疲劳与寿命预测
第18章 焊接件的疲劳寿命预测 423
18.1 引言 423
18.2 关于焊接件的疲劳寿命估算模型 423
18.3 焊接件中的疲劳裂纹起始与扩展 426
18.4 含缺陷的16Mn钢对焊接头的疲劳寿命及预测模型 428
18.5 16Mn钢焊接件的疲劳寿命 432
18.6 焊接件寿命估算应考虑的因素 435
18.7 等幅载荷下焊接件疲劳寿命的估算 437
18.8 机械和工程结构的安全检修周期的预测 441
18.9 变幅载荷下焊接件疲劳寿命的预测 442
18.10 变幅载荷下经锤击的焊接件的疲劳寿命及概率分布的预测 444
18.11 关于典型焊接件的疲劳设计曲线 453
18.12 结语 454
参考文献 455
第19章 扭转疲劳寿命表达式与半轴构件的疲劳寿命预测 459
19.1 引言 459
19.2 扭转疲劳寿命公式 460
19.3 平均扭转应力对扭转疲劳极限和扭转疲劳寿命的影响 462
19.4 带存活率的扭转疲劳寿命表达式 465
19.5 扭转疲劳强度的概率分布 470
19.6 半轴的具有给定存活率的扭转疲劳寿命公式 471
19.7 拖拉机半轴的带存活率的扭转疲劳寿命表达式 473
19.8 变幅载荷下拖拉机半轴的扭转疲劳寿命预测 476
19.9 结语 479
参考文献 479
第20章 老龄桥铆接钢结构件的剩余疲劳寿命预测 481
20.1 引言 481
20.2 老龄桥梁钢板疲劳性能的疲劳试验计划 481
20.3 老龄桥梁钢板的疲劳性能与蜕化 484
20.4 老龄桥梁钢板的疲劳裂纹扩展速率 489
20.5 老龄桥梁钢板带原状铆钉孔试件变幅载荷下的疲劳寿命预测 491
20.6 老龄桥钢梁铆接件模拟件的疲劳寿命
前言
主要符号对照表
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 疲劳研究的目的 2
1.3 疲劳研究的内容和方法 3
1.4 疲劳研究中应考虑的因素 6
1.5 本书编写的目的与主要内容 9
1.6 结语 11
参考文献 11
**部分 基本的疲劳公式
第2章 应变疲劳公式 17
2.1 引言 17
2.2 应变疲劳的由来与发展 17
2.3 应变疲劳寿命曲线与表达式 19
2.4 应变疲劳公式 24
2.5 应变疲劳寿命的预测 29
2.6 高温应变疲劳表达式 33
2.7 结语 36
参考文献 36
第3章 循环局部应变范围的近似公式 40
3.1 引言 40
3.2 切口的应力应变分析 40
3.3 局部应变范围的近似计算公式 46
3.4 局部应变范围的通用近似计算公式 51
3.5 超载对局部应变范围的影响 52
3.6 结语 53
参考文献 54
第4章 疲劳裂纹起始寿命公式 57
4.1 引言 57
4.2 疲劳裂纹起始的过程和机理 58
4.3 疲劳裂纹起始寿命 62
4.4 疲劳裂纹起始的力学模型 66
4.5 铝合金的疲劳裂纹起始寿命与门槛值 68
4.6 高强度低合金钢的疲劳裂纹起始寿命 70
4.7 超高强度钢的疲劳裂纹起始寿命 73
4.8 钛合金的疲劳裂纹起始寿命 75
4.9 疲劳裂纹起始抗力系数与门槛值 75
4.10 金属材料疲劳裂纹起始寿命的预测 79
4.11 结语 82
参考文献 83
第5章 应力疲劳寿命公式 88
5.1 引言 88
5.2 应力疲劳寿命公式与疲劳极限的研究 89
5.3 应力疲劳寿命的一般公式 91
5.4 金属材料在交变对称循环载荷下的应力疲劳寿命与表达式 94
5.5 金属材料不同应力比下的应力疲劳寿命与表达式 99
5.6 理论疲劳极限 103
5.7 等寿命图及表达式 108
5.8 疲劳切口敏感度 114
5.9 切口试件的疲劳寿命表达式 116
5.10 复合应力状态下金属材料的疲劳强度 118
5.11 结语 120
参考文献 121
第6章 疲劳裂纹扩展速率公式——疲劳裂纹扩展的力学模型 124
6.1 引言 124
6.2 疲劳裂纹扩展的一般规律 125
6.3 影响疲劳裂纹扩展速率的因素 126
6.4 疲劳裂纹扩展的机理 129
6.5 疲劳裂纹扩展的力学模型 135
6.6 钢的疲劳裂纹扩展速率 140
6.7 铝合金的疲劳裂纹扩展速率 145
6.8 钛合金疲劳裂纹扩展速率 147
6.9 疲劳裂纹扩展门槛值 149
6.10 金属材料疲劳裂纹扩展速率的预测 153
6.11 描述材料完整疲劳裂纹扩展行为的新公式 155
6.12 关于疲劳短裂纹问题 166
6.13 结语 169
参考文献 169
第7章 热疲劳寿命表达式 174
7.1 引言 174
7.2 模具钢的热寿命表达式 174
7.3 热障涂层的热疲劳寿命表达式 177
7.4 结语 180
参考文献 180
第二部分 特殊服役条件下的疲劳
第8章 金属的低温疲劳 185
8.1 引言 185
8.2 低温下金属材料的拉伸性能与疲劳极限 186
8.3 低温下金属材料的应变疲劳 188
8.4 金属材料的低温疲劳裂纹起始寿命 192
8.5 低温疲劳裂纹起始寿命的预测 196
8.6 低温下金属材料疲劳裂纹扩展的一般规律 199
8.7 低温下铝合金的疲劳裂纹扩展速率 205
8.8 低温下高强度低合金钢的疲劳裂纹扩展速率 207
8.9 低温下金属的疲劳裂纹扩展门槛值 210
8.10 具有面心立方晶格金属的低温疲劳裂纹扩展速率的预测 213
8.11 低碳钢的低温疲劳裂纹扩展速率的预测 215
8.12 低温下疲劳裂纹扩展的韧脆转变 216
8.13 结语 218
参考文献 219
第9章 金属的腐蚀疲劳 222
9.1 引言 222
9.2 气体环境对金属疲劳性能的影响 223
9.3 液体环境对金属疲劳性能的影响 229
9.4 腐蚀环境中金属的应变疲劳寿命 236
9.5 金属材料的腐蚀疲劳裂纹起始寿命 240
9.6 关于腐蚀疲劳裂纹起始抗力系数和门槛值 244
9.7 腐蚀环境中金属的疲劳裂纹扩展一般规律 245
9.8 腐蚀环境中铝合金的疲劳裂纹扩展速率 248
9.9 钛合金的腐蚀疲劳裂纹扩展速率 254
9.10 腐蚀环境中钢的疲劳裂纹扩展速率 255
9.11 结语 257
参考文献 258
第10章 金属在冲击载荷下的疲劳 261
10.1 引言 261
10.2 关于冲击疲劳的研究 261
10.3 试件柔度的计算与试验标定 264
10.4 冲击力的计算与测定 268
10.5 冲击疲劳试验条件下KⅠ的表达式 269
10.6 冲击疲劳载荷下的疲劳裂纹起始寿命 270
10.7 预测冲击疲劳裂纹起始寿命的可能性 273
10.8 冲击疲劳载荷下金属的疲劳裂纹扩展速率 274
10.9 结语 276
参考文献 276
第11章 金属的微动疲劳 278
11.1 引言 278
11.2 微动损伤的特征与机理 278
11.3 微动疲劳的试验方法 281
11.4 影响微动损伤的因素 282
11.5 微动疲劳寿命表达式 286
11.6 微动疲劳损伤的防治 289
11.7 结语 291
参考文献 291
第三部分 疲劳数据的统计分析与带存活率的疲劳寿命曲线表达式
第12章 疲劳试验数据的统计分析方法 295
12.1 引言 295
12.2 疲劳试验数据的分散性 295
12.3 疲劳试验数据的统计分析基础 297
12.4 正态分布 300
12.5 韦布尔分布 306
12.6 绘制安全寿命曲线的作图法 307
12.7 疲劳极限的试验测定 310
12.8 结语 313
参考文献 314
第13章 带存活率的疲劳寿命曲线与疲劳强度的概率分布 315
13.1 引言 315
13.2 绘制带存活率的疲劳寿命曲线的解析法(Ⅰ) 315
13.3 疲劳强度的概率分布 319
13.4 疲劳寿命概率分布对P-S-N曲线和疲劳强度概率分布的影响 320
13.5 绘制带存活率的疲劳寿命曲线的解析法(Ⅱ) 323
13.6 确定带存活率疲劳寿命曲线和疲劳强度概率分布的简化解析法 325
13.7 确定带存活率的疲劳寿命曲线的三种方法的趋同性 329
13.8 关于疲劳裂纹扩展速率的分散性与P-ΔK-da/dN曲线 334
13.9 结语 335
参考文献 336
第四部分 变幅载荷下疲劳寿命估算模型
第14章 疲劳裂纹起始的超载效应 339
14.1 引言 339
14.2 疲劳裂纹起始的超载效应研究的简要回顾 339
14.3 高强度铝合金疲劳裂纹起始的超载效应 344
14.4 超载效应因子 346
14.5 高强度低合金钢疲劳裂纹起始的超载效应 348
14.6 中碳钢疲劳裂纹起始的超载效应 353
14.7 铝合金孔挤压件疲劳裂纹起始的超载效应 354
14.8 结语 355
参考文献 355
第15章 变幅载荷下疲劳寿命及概率分布的预测 358
15.1 引言 358
15.2 寿命预测中应考虑的因素 359
15.3 变幅载荷下铝合金切口件疲劳裂纹起始寿命的预测模型 363
15.4 变幅载荷下低合金高强度钢的切口件疲劳裂纹起始寿命的预测 366
15.5 变幅载荷下中碳钢切口件的疲劳寿命的预测 369
15.6 铝合金孔壁挤压件的寿命预测 372
15.7 变幅载荷下铝合金疲劳裂纹起始寿命概率分布的预测 373
15.8 变幅载荷下高强度低合金钢疲劳寿命概率分布的预测 377
15.9 中碳钢切口件变幅载荷下疲劳寿命概率分布的预测 380
15.10 白铜丝两级载荷下疲劳寿命概率分布的预测 386
15.11 结语 389
参考文献 390
第16章 疲劳寿命预测中的小载荷省略准则 392
16.1 引言 392
16.2 关于疲劳损伤的研究 393
16.3 小载荷省略准则研究的理论基础 394
16.4 高强度低合金钢切口件的小载荷省略准则 395
16.5 中碳钢切口件的小载荷省略准则 396
16.6 中碳钢摩擦焊接头的小载荷省略准则 400
16.7 结语 407
参考文献 407
第17章 变幅载荷下铝合金腐蚀疲劳裂纹起始寿命的预测 410
17.1 引言 410
17.2 铝合金腐蚀疲劳裂纹起始的超载效应 411
17.3 变载下铝合金切口件腐蚀疲劳裂纹起始寿命的预测模型与验证 414
17.4 结语 418
参考文献 418
第五部分 某些典型结构件的疲劳与寿命预测
第18章 焊接件的疲劳寿命预测 423
18.1 引言 423
18.2 关于焊接件的疲劳寿命估算模型 423
18.3 焊接件中的疲劳裂纹起始与扩展 426
18.4 含缺陷的16Mn钢对焊接头的疲劳寿命及预测模型 428
18.5 16Mn钢焊接件的疲劳寿命 432
18.6 焊接件寿命估算应考虑的因素 435
18.7 等幅载荷下焊接件疲劳寿命的估算 437
18.8 机械和工程结构的安全检修周期的预测 441
18.9 变幅载荷下焊接件疲劳寿命的预测 442
18.10 变幅载荷下经锤击的焊接件的疲劳寿命及概率分布的预测 444
18.11 关于典型焊接件的疲劳设计曲线 453
18.12 结语 454
参考文献 455
第19章 扭转疲劳寿命表达式与半轴构件的疲劳寿命预测 459
19.1 引言 459
19.2 扭转疲劳寿命公式 460
19.3 平均扭转应力对扭转疲劳极限和扭转疲劳寿命的影响 462
19.4 带存活率的扭转疲劳寿命表达式 465
19.5 扭转疲劳强度的概率分布 470
19.6 半轴的具有给定存活率的扭转疲劳寿命公式 471
19.7 拖拉机半轴的带存活率的扭转疲劳寿命表达式 473
19.8 变幅载荷下拖拉机半轴的扭转疲劳寿命预测 476
19.9 结语 479
参考文献 479
第20章 老龄桥铆接钢结构件的剩余疲劳寿命预测 481
20.1 引言 481
20.2 老龄桥梁钢板疲劳性能的疲劳试验计划 481
20.3 老龄桥梁钢板的疲劳性能与蜕化 484
20.4 老龄桥梁钢板的疲劳裂纹扩展速率 489
20.5 老龄桥梁钢板带原状铆钉孔试件变幅载荷下的疲劳寿命预测 491
20.6 老龄桥钢梁铆接件模拟件的疲劳寿命
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材料疲劳理论与工程应用 节选
第1章 绪论 1.1 引言 在工程应用中，结构件所受的应力总是低于材料的屈服强度σ（σ0.2）。通常，在低于屈服强度的应力作用下，材料既不会发生塑性变形，更不会发生断裂。但是，在应力的重复作用下，即使所受的应力低于屈服强度，材料也有可能发生断裂。这种现象，称为材料的疲劳。引起疲劳断裂的应力常低于材料的屈服强度，在这种情况下，疲劳断裂前不发生明显的塑性变形。所以，疲劳断裂通常属于低应力脆性断裂。 自19世纪德国工程师Wohler为解决火车轴的断裂问题，在控制载荷的条件下测定**条疲劳寿命曲线（S-N曲线）以来，对材料和结构件疲劳的研究已有160多年的历史。但迄今仍不断有因结构件疲劳断裂而造成的重大以至灾难性事故。因此，对材料和结构件疲劳的研究，仍被世界各国科技和工程界所关注。每年有数以千计的有关疲劳的论文发表，有关疲劳的专著仍陆续出版问世，每年都有关于疲劳的国际学术会议，包括美国空军和海军研究院所赞助的国际疲劳学术会议召开。所有这些都说明，结构件的疲劳失效问题，仍是科技界和工程界需要努力加以解决的问题。 材料的失效（failure），包括疲劳失效仍是造成重大经济损失的一个主要原因。1983年美国商务部和国家标准局完成的研究报告表明[]，每年由于材料失效而造成的经济损失，按1982年美元值计算，达到1190亿美元，约占当年美国国内生产总值（GDP）的4%。而飞机和发动机结构件的失效所造成的经济损失约占总的经济损失的5%。在上述报告中，失效的形式包括结构零部件的过量变形、分层、开裂以至完全断裂，但不包括腐蚀和磨损：其中零部件的断裂会造成灾难性的后果，必须尽力防止。在其他工业发达国家，由于材料失效而造成的经济损失约占国内生产总值的4%[2]。这表明，材料的失效耗费了大量的资源和人力。 研究认为[1]：①更好地应用现有技术可以消除约1/3由于材料失效而造成的经济损失：②在较长的时间内，通过研究与发展，也就是获取新知识并提出利用新知识的途径，可以消除第二个1/3：③若无重大技术突破，*后一个1/3则很难消除。统计分析表明[3，4]，飞机和发动机结构件的失效大部分是由疲劳和腐蚀疲劳造成的。而材料的缺陷、加工质量差和结构设计不良又是引起结构件疲劳失效的主要因素[3，4]。因此，研究材料的抗疲劳失效准则（实际上是创立新的疲劳力学模型）以及结构件在变幅载荷下新的寿命预测模型和延寿技术，有重大的现实意义。 1.2 疲劳研究的目的 机械和工程结构的设计，首先应当达到设计所要求的功能，即在规定的服役期（即设计寿命）内能安全、可靠地运行。同时，也要考虑结构的生产和运行具有经济性，即具有较长的服役寿命、低的设计与制造费用，以及较长的维修周期和低的维修费用。大型机器的制造和工程结构的建设耗资巨大。所以，这些机器和工程结构应当有很长的服役寿命。例如，大型铁道桥梁的设计寿命为100～120年，民航飞机的设计寿命为10余万飞行小时，折算成日历年约为20余年。若机器和结构的服役寿命短，则会造成人力和资源的巨大浪费。 为保证机械和工程结构能安全可靠地运行，必须防止其零部件，尤其是重要零部件的疲劳失效。对材料疲劳失效的研究是材料科学研究的重要组成部分。在结构设计中，要进行疲劳寿命预测和结构的疲劳可靠性评估。研究疲劳失效的目的是防止材料和结构零部件的疲劳失效。因此，在工程应用中，疲劳研究的目的，或者说，疲劳研究所要解决的主要问题有三[5，6]： （1）精确地预测结构的疲劳寿命，简称定寿。所谓疲劳寿命，是指材料和结构在外力的长期、重复作用下或在外力和环境因素的复合作用下，抵抗疲劳损伤和失效的能力，使结构的零部件在服役期限内安全、有效地运行。结构的寿命，实际上是结构的安全服役期限，或者说，结构在其服役期内不会发生疲劳断裂。精确地预测结构的疲劳寿命，是为了保障结构在服役期内的安全，避免巨大的财产以至生命的损失，避免对社会造成心理冲击。 （2）改善结构件的细节设计，优选材料和优化结构件的制造工艺，以延长材料和结构的疲劳寿命，简称延寿，为研制新的抗疲劳的材料提供理论指导。一座大型工程结构的建造，例如飞机、桥梁、船舶、电站等，要耗费大量的资源和费用，使用过程中还需要检测和维修。延寿的目的，既要延长结构的总寿命，也要延长结构的检修周期，以节约资源，降低建造和维修费用。延寿的技术和管理措施包括改进结构细节设计、提高材料的冶金质量、改善制造工艺以及采取相关的技术管理措施等。有关延寿的技术和管理措施，将在后续章节中做较详细的讨论。 （3）简化疲劳试验或缩短疲劳试验周期。众所周知，疲劳试验要耗费大量的人力、物力和财力：尤其是结构件以至全尺寸的结构在服役载荷下的疲劳试验，试验周期很长、耗费更加巨大。因此，疲劳研究的第三个重要的作用，是建立合理的结构的疲劳试验载荷谱，略去不造成材料疲劳损伤的小载荷，以简化结构件以至全尺寸的结构的疲劳试验、缩短疲劳试验周期，以节约人力、物力和财力。 实际上，在结构设计的初始阶段，就要根据结构的细节设计、服役载荷和环境，选用合适的材料和制造工艺（包括表面处理）并且考虑到经济而有效的延寿技术，进而预测结构的疲劳寿命，必要时还要进行验证性的疲劳试验[7]。 1.3 疲劳研究的内容和方法 1.3.1 疲劳研究的内容 疲劳研究包含基础研究和应用研究两大部分。疲劳的基础研究是为工程应用服务的，而应用研究是要很好地解决前述的三大问题。 疲劳理论研究包括两个主要方面：即疲劳损伤的微观机理与疲劳的宏观力学模型。疲劳损伤的微观机理的研究成果，可以解释疲劳的宏观现象和某些宏观规律，也为建立疲劳的宏观力学模型和研制新的抗疲劳的材料提供物理依据。对疲劳损伤的微观机理的研究表明，材料的疲劳损伤可粗略地分成两个主要的阶段，即疲劳裂纹起始与疲劳裂纹扩展。有关疲劳的微观机理的研究成果在文献[7]和[8]中做了很好的总结。 预测结构件在服役载荷下的疲劳寿命，需要有好的疲劳寿命公式[6，9]。研究材料疲劳的宏观力学模型，主要是建立疲劳损伤的力学模型，探求疲劳损伤的控制参数，从而导出基本的疲劳公式，并进行验证。在工程实践中，结构件的疲劳寿命通常分为疲劳裂纹起始寿命和疲劳裂纹扩展寿命分别进行预测，然后求和得到总寿命[1，5-7，9-11]。因此，要建立变幅载荷下结构件的疲劳裂纹起始寿命和疲劳裂纹扩展寿命的预测模型，首先要有好的预测疲劳裂纹起始寿命的相关的疲劳公式，包括应力疲劳寿命公式、应变疲劳寿命公式，以及疲劳裂纹扩展速率公式等。 在服役条件下，结构所受的疲劳载荷称为载荷谱[7]。载荷谱需要给出载荷随时间而变化的信息。结构的服役环境也是复杂的，如高、低温，腐蚀性的环境介质和表面磨损引起的表面损伤等。这些因素都在不同程度上影响材料的疲劳损伤的微观机理和材料的疲劳性能，因而在材料的疲劳研究中以及结构的寿命预测中必须加以考虑。 1.3.2 疲劳的研究方法 如前所述，疲劳理论研究的内容主要是疲劳损伤各阶段的微观机理和宏观规律两方面。人们采用直接的金相观察和间接的物理性能测定方法，对疲劳损伤各阶段的微观机理进行了研究。Kocanda[8]用光学金相显微镜观察了纯铁在旋转弯曲疲劳试验时，试件表面形貌的变化。Suresh[9]用电子显微镜观测了循环加载过程中材料微观组织结构的变化，研究了疲劳损伤的微观机理。 研究工作者还可通过测定金属的物理性能在疲劳过程中的变化，探讨疲劳损伤的规律性。例如，在循环加载过程中，测定金属材料电阻和温度的变化[12]。*近，研究工作者还采用红外热像仪，测定试件表面温度的变化，探讨疲劳损伤的规律性，确定材料的疲劳极限[13]。但在疲劳裂纹形成以前，如何定义疲劳损伤则十分困难[14]。 研究工作者用电子显微镜对疲劳裂纹扩展微观机理做了大量的研究工作，取得了重要的成果，在文献[7]、[9]、[12]、[15]～[8]中做了很好的总结。这些研究成果为疲劳裂纹扩展的微观与宏观力学模型的建立提供了可靠的物理基础[19]。 材料疲劳性能表达式可通过下述途径求得：①总结试验数据，得出经验规律及表达式[20～23]。在开展研究工作的初期，这也是行之有效的方法。②在现有的关于疲劳的微观机理和力学的研究基础上，提出某种假设，进而导出相关的疲劳的公式[19]。显然，这假设应是合乎逻辑的，并能满足一定的边界条件，并且，这样的疲劳公式也需要进行试验验证。③随着疲劳研究工作的深人和相关学科的发展，有条件地提出理论模型，进而导出定量的疲劳公式。 1.3.3 疲劳试件 在材料的力学性能，包括材料疲劳的研究中，采用三种不同几何特征的试件，即光滑试件、切口试件和带裂纹的试件[1，5，7]。光滑试件主要用于测定材料的基本疲劳性能，例如应力疲劳寿命曲线、应变疲劳寿命曲线和疲劳极限等，作为评定材料疲劳性能和结构件寿命预测的重要依据[5，10，11，24]，也用于研究疲劳损伤微观机理[7-9]。 在机械和工程结构零部件的加工过程中，会产生裂纹或裂纹式的缺陷。在结构件的服役过程中，由于疲劳、蠕变、腐蚀等原因，也会在其中产生裂纹。在随后的服役过程中，裂纹会不断长大，引起结构承载能力和刚度的降低以及共振频率的变化。因此，结构件中的裂纹要力图避免或严格地加以限制[1]。但是，在结构件中、尤其是高塑性材料的结构件中出现裂纹后，并不会立即引起断裂，而有一段稳态扩展期，即疲劳裂纹扩展寿命：仅当裂纹扩展到临界尺寸时，断裂才会发生。因此，要用带裂纹的试件测定材料的疲劳裂纹扩展速率与门槛值以及断裂韧性[1，5，7，9，12]。应用线弹性断裂力学方法，利用材料的疲劳裂纹扩展速率表达式和断裂韧性K1C 之值，可估算含裂纹结构件的疲劳裂纹扩展寿命、断裂应力（或称剩余强度）和临界裂纹尺寸。 由于结构细节设计的需要，结构件中总会含有几何不连续性，例如连接孔、凸台、沟槽等。这些几何不连续性可看成是广义的切口。切口的存在引起结构件中的应力和应变集中，改变切口根部的应力分布[23，25]，会影响材料的疲劳性能，包括疲劳寿命和疲劳极限[23]。所以要采用切口试件模拟结构件，测定材料的疲劳裂纹起始寿命和疲劳裂纹扩展寿命[26]，作为结构件寿命预测的依据[26]。特别是结构中的关键承力结构件，不允许存在裂纹或对裂纹加以严格限制[1]。因此，精确地预测结构件的疲劳裂纹起始寿命，对于确保结构的运行安全，具有重要的实际意义。疲劳裂纹形成以后，切口件即转化为带裂纹件，疲劳损伤以裂纹扩展的形式发展。所以，要用带裂纹的试件，测定在循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展速率，给出疲劳裂纹扩展速率表达式，可用于预测结构件的疲劳裂纹扩展寿命[1，5，6]。 据此，可以认为，含切口的结构件的整个疲劳失效过程可分为三个阶段：疲劳裂纹在切口根部形成，已形成裂纹以一定的速度进行稳态扩展，裂纹扩展到临界尺寸时发生失稳扩展而导致断裂。所以，含切口的结构件的疲劳寿命由疲劳裂纹起始寿命和疲劳裂纹扩展寿命两部分组成。应用切口试件模拟结构件，研究其疲劳失效过程与疲劳寿命，更接近工程实际情况。 1.3.4 疲劳试验载荷 在疲劳的基础研究中，疲劳试验常在等幅载荷下进行，即*大载荷、载荷幅度不随时间而改变。这是引起材料疲劳损伤的*简单的、也是基本的循环加载形式。循环加载的特征要用两个参数表示，即应力范围AS，即循环*大应力与循环*小应力之差，或应力幅，以及应力比尺或平均应力。加于试件上的循环载荷保持恒定，也就是试件所受的应力范围（AS）或应力幅（Sa）、应力比或平均应力保持恒定。由应力疲劳试验测定的疲劳寿命曲线称为应力疲劳寿命曲线，它通常可表示为，但*好能表示为或。在结构的服役载荷下，应力范围、平均应力或应力比是随时间而变动的，因此，将疲劳寿命表示为：或，可以很方便地用于预测结构在变幅载荷下的疲劳寿命[11]。
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