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材料疲勞理論與工程應用 版權信息
- ISBN：9787030366481
- 條形碼：9787030366481 ; 978-7-03-036648-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
材料疲勞理論與工程應用 內容簡介
本書扼要敘述了金屬疲勞裂紋起始與擴展的微觀機理，以建立疲勞裂紋起始與擴展宏觀力學模型的依據，進而重點論述了材料疲勞宏觀力學模型的建立，基本疲勞公式的導出，包括疲勞裂紋起始壽命公式和疲勞裂紋擴展速率公式，并用實驗結果、包括文獻中的實驗結果進行驗證。本書以這些基本的疲勞公式為指導，展開材料疲勞各個方面的研究，包括特殊服役環境中的疲勞、疲勞試驗數據的統計分析，以給出帶存活率的疲勞壽命表達式、變幅載荷下的疲勞壽命及其概率分布的預測模型及驗證、典型結構件的壽命預測、等幅和變幅載荷下的疲勞延壽技術，以及非金屬材料的疲勞及壽命預測等。
材料疲勞理論與工程應用 目錄
目錄
前言
主要符號對照表
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 疲勞研究的目的 2
1.3 疲勞研究的內容和方法 3
1.4 疲勞研究中應考慮的因素 6
1.5 本書編寫的目的與主要內容 9
1.6 結語 11
參考文獻 11
**部分 基本的疲勞公式
第2章 應變疲勞公式 17
2.1 引言 17
2.2 應變疲勞的由來與發展 17
2.3 應變疲勞壽命曲線與表達式 19
2.4 應變疲勞公式 24
2.5 應變疲勞壽命的預測 29
2.6 高溫應變疲勞表達式 33
2.7 結語 36
參考文獻 36
第3章 循環局部應變范圍的近似公式 40
3.1 引言 40
3.2 切口的應力應變分析 40
3.3 局部應變范圍的近似計算公式 46
3.4 局部應變范圍的通用近似計算公式 51
3.5 超載對局部應變范圍的影響 52
3.6 結語 53
參考文獻 54
第4章 疲勞裂紋起始壽命公式 57
4.1 引言 57
4.2 疲勞裂紋起始的過程和機理 58
4.3 疲勞裂紋起始壽命 62
4.4 疲勞裂紋起始的力學模型 66
4.5 鋁合金的疲勞裂紋起始壽命與門檻值 68
4.6 高強度低合金鋼的疲勞裂紋起始壽命 70
4.7 超高強度鋼的疲勞裂紋起始壽命 73
4.8 鈦合金的疲勞裂紋起始壽命 75
4.9 疲勞裂紋起始抗力系數與門檻值 75
4.10 金屬材料疲勞裂紋起始壽命的預測 79
4.11 結語 82
參考文獻 83
第5章 應力疲勞壽命公式 88
5.1 引言 88
5.2 應力疲勞壽命公式與疲勞極限的研究 89
5.3 應力疲勞壽命的一般公式 91
5.4 金屬材料在交變對稱循環載荷下的應力疲勞壽命與表達式 94
5.5 金屬材料不同應力比下的應力疲勞壽命與表達式 99
5.6 理論疲勞極限 103
5.7 等壽命圖及表達式 108
5.8 疲勞切口敏感度 114
5.9 切口試件的疲勞壽命表達式 116
5.10 復合應力狀態下金屬材料的疲勞強度 118
5.11 結語 120
參考文獻 121
第6章 疲勞裂紋擴展速率公式——疲勞裂紋擴展的力學模型 124
6.1 引言 124
6.2 疲勞裂紋擴展的一般規律 125
6.3 影響疲勞裂紋擴展速率的因素 126
6.4 疲勞裂紋擴展的機理 129
6.5 疲勞裂紋擴展的力學模型 135
6.6 鋼的疲勞裂紋擴展速率 140
6.7 鋁合金的疲勞裂紋擴展速率 145
6.8 鈦合金疲勞裂紋擴展速率 147
6.9 疲勞裂紋擴展門檻值 149
6.10 金屬材料疲勞裂紋擴展速率的預測 153
6.11 描述材料完整疲勞裂紋擴展行為的新公式 155
6.12 關于疲勞短裂紋問題 166
6.13 結語 169
參考文獻 169
第7章 熱疲勞壽命表達式 174
7.1 引言 174
7.2 模具鋼的熱壽命表達式 174
7.3 熱障涂層的熱疲勞壽命表達式 177
7.4 結語 180
參考文獻 180
第二部分 特殊服役條件下的疲勞
第8章 金屬的低溫疲勞 185
8.1 引言 185
8.2 低溫下金屬材料的拉伸性能與疲勞極限 186
8.3 低溫下金屬材料的應變疲勞 188
8.4 金屬材料的低溫疲勞裂紋起始壽命 192
8.5 低溫疲勞裂紋起始壽命的預測 196
8.6 低溫下金屬材料疲勞裂紋擴展的一般規律 199
8.7 低溫下鋁合金的疲勞裂紋擴展速率 205
8.8 低溫下高強度低合金鋼的疲勞裂紋擴展速率 207
8.9 低溫下金屬的疲勞裂紋擴展門檻值 210
8.10 具有面心立方晶格金屬的低溫疲勞裂紋擴展速率的預測 213
8.11 低碳鋼的低溫疲勞裂紋擴展速率的預測 215
8.12 低溫下疲勞裂紋擴展的韌脆轉變 216
8.13 結語 218
參考文獻 219
第9章 金屬的腐蝕疲勞 222
9.1 引言 222
9.2 氣體環境對金屬疲勞性能的影響 223
9.3 液體環境對金屬疲勞性能的影響 229
9.4 腐蝕環境中金屬的應變疲勞壽命 236
9.5 金屬材料的腐蝕疲勞裂紋起始壽命 240
9.6 關于腐蝕疲勞裂紋起始抗力系數和門檻值 244
9.7 腐蝕環境中金屬的疲勞裂紋擴展一般規律 245
9.8 腐蝕環境中鋁合金的疲勞裂紋擴展速率 248
9.9 鈦合金的腐蝕疲勞裂紋擴展速率 254
9.10 腐蝕環境中鋼的疲勞裂紋擴展速率 255
9.11 結語 257
參考文獻 258
第10章 金屬在沖擊載荷下的疲勞 261
10.1 引言 261
10.2 關于沖擊疲勞的研究 261
10.3 試件柔度的計算與試驗標定 264
10.4 沖擊力的計算與測定 268
10.5 沖擊疲勞試驗條件下KⅠ的表達式 269
10.6 沖擊疲勞載荷下的疲勞裂紋起始壽命 270
10.7 預測沖擊疲勞裂紋起始壽命的可能性 273
10.8 沖擊疲勞載荷下金屬的疲勞裂紋擴展速率 274
10.9 結語 276
參考文獻 276
第11章 金屬的微動疲勞 278
11.1 引言 278
11.2 微動損傷的特征與機理 278
11.3 微動疲勞的試驗方法 281
11.4 影響微動損傷的因素 282
11.5 微動疲勞壽命表達式 286
11.6 微動疲勞損傷的防治 289
11.7 結語 291
參考文獻 291
第三部分 疲勞數據的統計分析與帶存活率的疲勞壽命曲線表達式
第12章 疲勞試驗數據的統計分析方法 295
12.1 引言 295
12.2 疲勞試驗數據的分散性 295
12.3 疲勞試驗數據的統計分析基礎 297
12.4 正態分布 300
12.5 韋布爾分布 306
12.6 繪制安全壽命曲線的作圖法 307
12.7 疲勞極限的試驗測定 310
12.8 結語 313
參考文獻 314
第13章 帶存活率的疲勞壽命曲線與疲勞強度的概率分布 315
13.1 引言 315
13.2 繪制帶存活率的疲勞壽命曲線的解析法(Ⅰ) 315
13.3 疲勞強度的概率分布 319
13.4 疲勞壽命概率分布對P-S-N曲線和疲勞強度概率分布的影響 320
13.5 繪制帶存活率的疲勞壽命曲線的解析法(Ⅱ) 323
13.6 確定帶存活率疲勞壽命曲線和疲勞強度概率分布的簡化解析法 325
13.7 確定帶存活率的疲勞壽命曲線的三種方法的趨同性 329
13.8 關于疲勞裂紋擴展速率的分散性與P-ΔK-da/dN曲線 334
13.9 結語 335
參考文獻 336
第四部分 變幅載荷下疲勞壽命估算模型
第14章 疲勞裂紋起始的超載效應 339
14.1 引言 339
14.2 疲勞裂紋起始的超載效應研究的簡要回顧 339
14.3 高強度鋁合金疲勞裂紋起始的超載效應 344
14.4 超載效應因子 346
14.5 高強度低合金鋼疲勞裂紋起始的超載效應 348
14.6 中碳鋼疲勞裂紋起始的超載效應 353
14.7 鋁合金孔擠壓件疲勞裂紋起始的超載效應 354
14.8 結語 355
參考文獻 355
第15章 變幅載荷下疲勞壽命及概率分布的預測 358
15.1 引言 358
15.2 壽命預測中應考慮的因素 359
15.3 變幅載荷下鋁合金切口件疲勞裂紋起始壽命的預測模型 363
15.4 變幅載荷下低合金高強度鋼的切口件疲勞裂紋起始壽命的預測 366
15.5 變幅載荷下中碳鋼切口件的疲勞壽命的預測 369
15.6 鋁合金孔壁擠壓件的壽命預測 372
15.7 變幅載荷下鋁合金疲勞裂紋起始壽命概率分布的預測 373
15.8 變幅載荷下高強度低合金鋼疲勞壽命概率分布的預測 377
15.9 中碳鋼切口件變幅載荷下疲勞壽命概率分布的預測 380
15.10 白銅絲兩級載荷下疲勞壽命概率分布的預測 386
15.11 結語 389
參考文獻 390
第16章 疲勞壽命預測中的小載荷省略準則 392
16.1 引言 392
16.2 關于疲勞損傷的研究 393
16.3 小載荷省略準則研究的理論基礎 394
16.4 高強度低合金鋼切口件的小載荷省略準則 395
16.5 中碳鋼切口件的小載荷省略準則 396
16.6 中碳鋼摩擦焊接頭的小載荷省略準則 400
16.7 結語 407
參考文獻 407
第17章 變幅載荷下鋁合金腐蝕疲勞裂紋起始壽命的預測 410
17.1 引言 410
17.2 鋁合金腐蝕疲勞裂紋起始的超載效應 411
17.3 變載下鋁合金切口件腐蝕疲勞裂紋起始壽命的預測模型與驗證 414
17.4 結語 418
參考文獻 418
第五部分 某些典型結構件的疲勞與壽命預測
第18章 焊接件的疲勞壽命預測 423
18.1 引言 423
18.2 關于焊接件的疲勞壽命估算模型 423
18.3 焊接件中的疲勞裂紋起始與擴展 426
18.4 含缺陷的16Mn鋼對焊接頭的疲勞壽命及預測模型 428
18.5 16Mn鋼焊接件的疲勞壽命 432
18.6 焊接件壽命估算應考慮的因素 435
18.7 等幅載荷下焊接件疲勞壽命的估算 437
18.8 機械和工程結構的安全檢修周期的預測 441
18.9 變幅載荷下焊接件疲勞壽命的預測 442
18.10 變幅載荷下經錘擊的焊接件的疲勞壽命及概率分布的預測 444
18.11 關于典型焊接件的疲勞設計曲線 453
18.12 結語 454
參考文獻 455
第19章 扭轉疲勞壽命表達式與半軸構件的疲勞壽命預測 459
19.1 引言 459
19.2 扭轉疲勞壽命公式 460
19.3 平均扭轉應力對扭轉疲勞極限和扭轉疲勞壽命的影響 462
19.4 帶存活率的扭轉疲勞壽命表達式 465
19.5 扭轉疲勞強度的概率分布 470
19.6 半軸的具有給定存活率的扭轉疲勞壽命公式 471
19.7 拖拉機半軸的帶存活率的扭轉疲勞壽命表達式 473
19.8 變幅載荷下拖拉機半軸的扭轉疲勞壽命預測 476
19.9 結語 479
參考文獻 479
第20章 老齡橋鉚接鋼結構件的剩余疲勞壽命預測 481
20.1 引言 481
20.2 老齡橋梁鋼板疲勞性能的疲勞試驗計劃 481
20.3 老齡橋梁鋼板的疲勞性能與蛻化 484
20.4 老齡橋梁鋼板的疲勞裂紋擴展速率 489
20.5 老齡橋梁鋼板帶原狀鉚釘孔試件變幅載荷下的疲勞壽命預測 491
20.6 老齡橋鋼梁鉚接件模擬件的疲勞壽命
前言
主要符號對照表
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 疲勞研究的目的 2
1.3 疲勞研究的內容和方法 3
1.4 疲勞研究中應考慮的因素 6
1.5 本書編寫的目的與主要內容 9
1.6 結語 11
參考文獻 11
**部分 基本的疲勞公式
第2章 應變疲勞公式 17
2.1 引言 17
2.2 應變疲勞的由來與發展 17
2.3 應變疲勞壽命曲線與表達式 19
2.4 應變疲勞公式 24
2.5 應變疲勞壽命的預測 29
2.6 高溫應變疲勞表達式 33
2.7 結語 36
參考文獻 36
第3章 循環局部應變范圍的近似公式 40
3.1 引言 40
3.2 切口的應力應變分析 40
3.3 局部應變范圍的近似計算公式 46
3.4 局部應變范圍的通用近似計算公式 51
3.5 超載對局部應變范圍的影響 52
3.6 結語 53
參考文獻 54
第4章 疲勞裂紋起始壽命公式 57
4.1 引言 57
4.2 疲勞裂紋起始的過程和機理 58
4.3 疲勞裂紋起始壽命 62
4.4 疲勞裂紋起始的力學模型 66
4.5 鋁合金的疲勞裂紋起始壽命與門檻值 68
4.6 高強度低合金鋼的疲勞裂紋起始壽命 70
4.7 超高強度鋼的疲勞裂紋起始壽命 73
4.8 鈦合金的疲勞裂紋起始壽命 75
4.9 疲勞裂紋起始抗力系數與門檻值 75
4.10 金屬材料疲勞裂紋起始壽命的預測 79
4.11 結語 82
參考文獻 83
第5章 應力疲勞壽命公式 88
5.1 引言 88
5.2 應力疲勞壽命公式與疲勞極限的研究 89
5.3 應力疲勞壽命的一般公式 91
5.4 金屬材料在交變對稱循環載荷下的應力疲勞壽命與表達式 94
5.5 金屬材料不同應力比下的應力疲勞壽命與表達式 99
5.6 理論疲勞極限 103
5.7 等壽命圖及表達式 108
5.8 疲勞切口敏感度 114
5.9 切口試件的疲勞壽命表達式 116
5.10 復合應力狀態下金屬材料的疲勞強度 118
5.11 結語 120
參考文獻 121
第6章 疲勞裂紋擴展速率公式——疲勞裂紋擴展的力學模型 124
6.1 引言 124
6.2 疲勞裂紋擴展的一般規律 125
6.3 影響疲勞裂紋擴展速率的因素 126
6.4 疲勞裂紋擴展的機理 129
6.5 疲勞裂紋擴展的力學模型 135
6.6 鋼的疲勞裂紋擴展速率 140
6.7 鋁合金的疲勞裂紋擴展速率 145
6.8 鈦合金疲勞裂紋擴展速率 147
6.9 疲勞裂紋擴展門檻值 149
6.10 金屬材料疲勞裂紋擴展速率的預測 153
6.11 描述材料完整疲勞裂紋擴展行為的新公式 155
6.12 關于疲勞短裂紋問題 166
6.13 結語 169
參考文獻 169
第7章 熱疲勞壽命表達式 174
7.1 引言 174
7.2 模具鋼的熱壽命表達式 174
7.3 熱障涂層的熱疲勞壽命表達式 177
7.4 結語 180
參考文獻 180
第二部分 特殊服役條件下的疲勞
第8章 金屬的低溫疲勞 185
8.1 引言 185
8.2 低溫下金屬材料的拉伸性能與疲勞極限 186
8.3 低溫下金屬材料的應變疲勞 188
8.4 金屬材料的低溫疲勞裂紋起始壽命 192
8.5 低溫疲勞裂紋起始壽命的預測 196
8.6 低溫下金屬材料疲勞裂紋擴展的一般規律 199
8.7 低溫下鋁合金的疲勞裂紋擴展速率 205
8.8 低溫下高強度低合金鋼的疲勞裂紋擴展速率 207
8.9 低溫下金屬的疲勞裂紋擴展門檻值 210
8.10 具有面心立方晶格金屬的低溫疲勞裂紋擴展速率的預測 213
8.11 低碳鋼的低溫疲勞裂紋擴展速率的預測 215
8.12 低溫下疲勞裂紋擴展的韌脆轉變 216
8.13 結語 218
參考文獻 219
第9章 金屬的腐蝕疲勞 222
9.1 引言 222
9.2 氣體環境對金屬疲勞性能的影響 223
9.3 液體環境對金屬疲勞性能的影響 229
9.4 腐蝕環境中金屬的應變疲勞壽命 236
9.5 金屬材料的腐蝕疲勞裂紋起始壽命 240
9.6 關于腐蝕疲勞裂紋起始抗力系數和門檻值 244
9.7 腐蝕環境中金屬的疲勞裂紋擴展一般規律 245
9.8 腐蝕環境中鋁合金的疲勞裂紋擴展速率 248
9.9 鈦合金的腐蝕疲勞裂紋擴展速率 254
9.10 腐蝕環境中鋼的疲勞裂紋擴展速率 255
9.11 結語 257
參考文獻 258
第10章 金屬在沖擊載荷下的疲勞 261
10.1 引言 261
10.2 關于沖擊疲勞的研究 261
10.3 試件柔度的計算與試驗標定 264
10.4 沖擊力的計算與測定 268
10.5 沖擊疲勞試驗條件下KⅠ的表達式 269
10.6 沖擊疲勞載荷下的疲勞裂紋起始壽命 270
10.7 預測沖擊疲勞裂紋起始壽命的可能性 273
10.8 沖擊疲勞載荷下金屬的疲勞裂紋擴展速率 274
10.9 結語 276
參考文獻 276
第11章 金屬的微動疲勞 278
11.1 引言 278
11.2 微動損傷的特征與機理 278
11.3 微動疲勞的試驗方法 281
11.4 影響微動損傷的因素 282
11.5 微動疲勞壽命表達式 286
11.6 微動疲勞損傷的防治 289
11.7 結語 291
參考文獻 291
第三部分 疲勞數據的統計分析與帶存活率的疲勞壽命曲線表達式
第12章 疲勞試驗數據的統計分析方法 295
12.1 引言 295
12.2 疲勞試驗數據的分散性 295
12.3 疲勞試驗數據的統計分析基礎 297
12.4 正態分布 300
12.5 韋布爾分布 306
12.6 繪制安全壽命曲線的作圖法 307
12.7 疲勞極限的試驗測定 310
12.8 結語 313
參考文獻 314
第13章 帶存活率的疲勞壽命曲線與疲勞強度的概率分布 315
13.1 引言 315
13.2 繪制帶存活率的疲勞壽命曲線的解析法(Ⅰ) 315
13.3 疲勞強度的概率分布 319
13.4 疲勞壽命概率分布對P-S-N曲線和疲勞強度概率分布的影響 320
13.5 繪制帶存活率的疲勞壽命曲線的解析法(Ⅱ) 323
13.6 確定帶存活率疲勞壽命曲線和疲勞強度概率分布的簡化解析法 325
13.7 確定帶存活率的疲勞壽命曲線的三種方法的趨同性 329
13.8 關于疲勞裂紋擴展速率的分散性與P-ΔK-da/dN曲線 334
13.9 結語 335
參考文獻 336
第四部分 變幅載荷下疲勞壽命估算模型
第14章 疲勞裂紋起始的超載效應 339
14.1 引言 339
14.2 疲勞裂紋起始的超載效應研究的簡要回顧 339
14.3 高強度鋁合金疲勞裂紋起始的超載效應 344
14.4 超載效應因子 346
14.5 高強度低合金鋼疲勞裂紋起始的超載效應 348
14.6 中碳鋼疲勞裂紋起始的超載效應 353
14.7 鋁合金孔擠壓件疲勞裂紋起始的超載效應 354
14.8 結語 355
參考文獻 355
第15章 變幅載荷下疲勞壽命及概率分布的預測 358
15.1 引言 358
15.2 壽命預測中應考慮的因素 359
15.3 變幅載荷下鋁合金切口件疲勞裂紋起始壽命的預測模型 363
15.4 變幅載荷下低合金高強度鋼的切口件疲勞裂紋起始壽命的預測 366
15.5 變幅載荷下中碳鋼切口件的疲勞壽命的預測 369
15.6 鋁合金孔壁擠壓件的壽命預測 372
15.7 變幅載荷下鋁合金疲勞裂紋起始壽命概率分布的預測 373
15.8 變幅載荷下高強度低合金鋼疲勞壽命概率分布的預測 377
15.9 中碳鋼切口件變幅載荷下疲勞壽命概率分布的預測 380
15.10 白銅絲兩級載荷下疲勞壽命概率分布的預測 386
15.11 結語 389
參考文獻 390
第16章 疲勞壽命預測中的小載荷省略準則 392
16.1 引言 392
16.2 關于疲勞損傷的研究 393
16.3 小載荷省略準則研究的理論基礎 394
16.4 高強度低合金鋼切口件的小載荷省略準則 395
16.5 中碳鋼切口件的小載荷省略準則 396
16.6 中碳鋼摩擦焊接頭的小載荷省略準則 400
16.7 結語 407
參考文獻 407
第17章 變幅載荷下鋁合金腐蝕疲勞裂紋起始壽命的預測 410
17.1 引言 410
17.2 鋁合金腐蝕疲勞裂紋起始的超載效應 411
17.3 變載下鋁合金切口件腐蝕疲勞裂紋起始壽命的預測模型與驗證 414
17.4 結語 418
參考文獻 418
第五部分 某些典型結構件的疲勞與壽命預測
第18章 焊接件的疲勞壽命預測 423
18.1 引言 423
18.2 關于焊接件的疲勞壽命估算模型 423
18.3 焊接件中的疲勞裂紋起始與擴展 426
18.4 含缺陷的16Mn鋼對焊接頭的疲勞壽命及預測模型 428
18.5 16Mn鋼焊接件的疲勞壽命 432
18.6 焊接件壽命估算應考慮的因素 435
18.7 等幅載荷下焊接件疲勞壽命的估算 437
18.8 機械和工程結構的安全檢修周期的預測 441
18.9 變幅載荷下焊接件疲勞壽命的預測 442
18.10 變幅載荷下經錘擊的焊接件的疲勞壽命及概率分布的預測 444
18.11 關于典型焊接件的疲勞設計曲線 453
18.12 結語 454
參考文獻 455
第19章 扭轉疲勞壽命表達式與半軸構件的疲勞壽命預測 459
19.1 引言 459
19.2 扭轉疲勞壽命公式 460
19.3 平均扭轉應力對扭轉疲勞極限和扭轉疲勞壽命的影響 462
19.4 帶存活率的扭轉疲勞壽命表達式 465
19.5 扭轉疲勞強度的概率分布 470
19.6 半軸的具有給定存活率的扭轉疲勞壽命公式 471
19.7 拖拉機半軸的帶存活率的扭轉疲勞壽命表達式 473
19.8 變幅載荷下拖拉機半軸的扭轉疲勞壽命預測 476
19.9 結語 479
參考文獻 479
第20章 老齡橋鉚接鋼結構件的剩余疲勞壽命預測 481
20.1 引言 481
20.2 老齡橋梁鋼板疲勞性能的疲勞試驗計劃 481
20.3 老齡橋梁鋼板的疲勞性能與蛻化 484
20.4 老齡橋梁鋼板的疲勞裂紋擴展速率 489
20.5 老齡橋梁鋼板帶原狀鉚釘孔試件變幅載荷下的疲勞壽命預測 491
20.6 老齡橋鋼梁鉚接件模擬件的疲勞壽命
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材料疲勞理論與工程應用 節選
第1章 緒論 1.1 引言 在工程應用中，結構件所受的應力總是低于材料的屈服強度σ（σ0.2）。通常，在低于屈服強度的應力作用下，材料既不會發生塑性變形，更不會發生斷裂。但是，在應力的重復作用下，即使所受的應力低于屈服強度，材料也有可能發生斷裂。這種現象，稱為材料的疲勞。引起疲勞斷裂的應力常低于材料的屈服強度，在這種情況下，疲勞斷裂前不發生明顯的塑性變形。所以，疲勞斷裂通常屬于低應力脆性斷裂。 自19世紀德國工程師Wohler為解決火車軸的斷裂問題，在控制載荷的條件下測定**條疲勞壽命曲線（S-N曲線）以來，對材料和結構件疲勞的研究已有160多年的歷史。但迄今仍不斷有因結構件疲勞斷裂而造成的重大以至災難性事故。因此，對材料和結構件疲勞的研究，仍被世界各國科技和工程界所關注。每年有數以千計的有關疲勞的論文發表，有關疲勞的專著仍陸續出版問世，每年都有關于疲勞的國際學術會議，包括美國空軍和海軍研究院所贊助的國際疲勞學術會議召開。所有這些都說明，結構件的疲勞失效問題，仍是科技界和工程界需要努力加以解決的問題。 材料的失效（failure），包括疲勞失效仍是造成重大經濟損失的一個主要原因。1983年美國商務部和國家標準局完成的研究報告表明[]，每年由于材料失效而造成的經濟損失，按1982年美元值計算，達到1190億美元，約占當年美國國內生產總值（GDP）的4%。而飛機和發動機結構件的失效所造成的經濟損失約占總的經濟損失的5%。在上述報告中，失效的形式包括結構零部件的過量變形、分層、開裂以至完全斷裂，但不包括腐蝕和磨損：其中零部件的斷裂會造成災難性的后果，必須盡力防止。在其他工業發達國家，由于材料失效而造成的經濟損失約占國內生產總值的4%[2]。這表明，材料的失效耗費了大量的資源和人力。 研究認為[1]：①更好地應用現有技術可以消除約1/3由于材料失效而造成的經濟損失：②在較長的時間內，通過研究與發展，也就是獲取新知識并提出利用新知識的途徑，可以消除第二個1/3：③若無重大技術突破，*后一個1/3則很難消除。統計分析表明[3，4]，飛機和發動機結構件的失效大部分是由疲勞和腐蝕疲勞造成的。而材料的缺陷、加工質量差和結構設計不良又是引起結構件疲勞失效的主要因素[3，4]。因此，研究材料的抗疲勞失效準則（實際上是創立新的疲勞力學模型）以及結構件在變幅載荷下新的壽命預測模型和延壽技術，有重大的現實意義。 1.2 疲勞研究的目的 機械和工程結構的設計，首先應當達到設計所要求的功能，即在規定的服役期（即設計壽命）內能安全、可靠地運行。同時，也要考慮結構的生產和運行具有經濟性，即具有較長的服役壽命、低的設計與制造費用，以及較長的維修周期和低的維修費用。大型機器的制造和工程結構的建設耗資巨大。所以，這些機器和工程結構應當有很長的服役壽命。例如，大型鐵道橋梁的設計壽命為100～120年，民航飛機的設計壽命為10余萬飛行小時，折算成日歷年約為20余年。若機器和結構的服役壽命短，則會造成人力和資源的巨大浪費。 為保證機械和工程結構能安全可靠地運行，必須防止其零部件，尤其是重要零部件的疲勞失效。對材料疲勞失效的研究是材料科學研究的重要組成部分。在結構設計中，要進行疲勞壽命預測和結構的疲勞可靠性評估。研究疲勞失效的目的是防止材料和結構零部件的疲勞失效。因此，在工程應用中，疲勞研究的目的，或者說，疲勞研究所要解決的主要問題有三[5，6]： （1）精確地預測結構的疲勞壽命，簡稱定壽。所謂疲勞壽命，是指材料和結構在外力的長期、重復作用下或在外力和環境因素的復合作用下，抵抗疲勞損傷和失效的能力，使結構的零部件在服役期限內安全、有效地運行。結構的壽命，實際上是結構的安全服役期限，或者說，結構在其服役期內不會發生疲勞斷裂。精確地預測結構的疲勞壽命，是為了保障結構在服役期內的安全，避免巨大的財產以至生命的損失，避免對社會造成心理沖擊。 （2）改善結構件的細節設計，優選材料和優化結構件的制造工藝，以延長材料和結構的疲勞壽命，簡稱延壽，為研制新的抗疲勞的材料提供理論指導。一座大型工程結構的建造，例如飛機、橋梁、船舶、電站等，要耗費大量的資源和費用，使用過程中還需要檢測和維修。延壽的目的，既要延長結構的總壽命，也要延長結構的檢修周期，以節約資源，降低建造和維修費用。延壽的技術和管理措施包括改進結構細節設計、提高材料的冶金質量、改善制造工藝以及采取相關的技術管理措施等。有關延壽的技術和管理措施，將在后續章節中做較詳細的討論。 （3）簡化疲勞試驗或縮短疲勞試驗周期。眾所周知，疲勞試驗要耗費大量的人力、物力和財力：尤其是結構件以至全尺寸的結構在服役載荷下的疲勞試驗，試驗周期很長、耗費更加巨大。因此，疲勞研究的第三個重要的作用，是建立合理的結構的疲勞試驗載荷譜，略去不造成材料疲勞損傷的小載荷，以簡化結構件以至全尺寸的結構的疲勞試驗、縮短疲勞試驗周期，以節約人力、物力和財力。 實際上，在結構設計的初始階段，就要根據結構的細節設計、服役載荷和環境，選用合適的材料和制造工藝（包括表面處理）并且考慮到經濟而有效的延壽技術，進而預測結構的疲勞壽命，必要時還要進行驗證性的疲勞試驗[7]。 1.3 疲勞研究的內容和方法 1.3.1 疲勞研究的內容 疲勞研究包含基礎研究和應用研究兩大部分。疲勞的基礎研究是為工程應用服務的，而應用研究是要很好地解決前述的三大問題。 疲勞理論研究包括兩個主要方面：即疲勞損傷的微觀機理與疲勞的宏觀力學模型。疲勞損傷的微觀機理的研究成果，可以解釋疲勞的宏觀現象和某些宏觀規律，也為建立疲勞的宏觀力學模型和研制新的抗疲勞的材料提供物理依據。對疲勞損傷的微觀機理的研究表明，材料的疲勞損傷可粗略地分成兩個主要的階段，即疲勞裂紋起始與疲勞裂紋擴展。有關疲勞的微觀機理的研究成果在文獻[7]和[8]中做了很好的總結。 預測結構件在服役載荷下的疲勞壽命，需要有好的疲勞壽命公式[6，9]。研究材料疲勞的宏觀力學模型，主要是建立疲勞損傷的力學模型，探求疲勞損傷的控制參數，從而導出基本的疲勞公式，并進行驗證。在工程實踐中，結構件的疲勞壽命通常分為疲勞裂紋起始壽命和疲勞裂紋擴展壽命分別進行預測，然后求和得到總壽命[1，5-7，9-11]。因此，要建立變幅載荷下結構件的疲勞裂紋起始壽命和疲勞裂紋擴展壽命的預測模型，首先要有好的預測疲勞裂紋起始壽命的相關的疲勞公式，包括應力疲勞壽命公式、應變疲勞壽命公式，以及疲勞裂紋擴展速率公式等。 在服役條件下，結構所受的疲勞載荷稱為載荷譜[7]。載荷譜需要給出載荷隨時間而變化的信息。結構的服役環境也是復雜的，如高、低溫，腐蝕性的環境介質和表面磨損引起的表面損傷等。這些因素都在不同程度上影響材料的疲勞損傷的微觀機理和材料的疲勞性能，因而在材料的疲勞研究中以及結構的壽命預測中必須加以考慮。 1.3.2 疲勞的研究方法 如前所述，疲勞理論研究的內容主要是疲勞損傷各階段的微觀機理和宏觀規律兩方面。人們采用直接的金相觀察和間接的物理性能測定方法，對疲勞損傷各階段的微觀機理進行了研究。Kocanda[8]用光學金相顯微鏡觀察了純鐵在旋轉彎曲疲勞試驗時，試件表面形貌的變化。Suresh[9]用電子顯微鏡觀測了循環加載過程中材料微觀組織結構的變化，研究了疲勞損傷的微觀機理。 研究工作者還可通過測定金屬的物理性能在疲勞過程中的變化，探討疲勞損傷的規律性。例如，在循環加載過程中，測定金屬材料電阻和溫度的變化[12]。*近，研究工作者還采用紅外熱像儀，測定試件表面溫度的變化，探討疲勞損傷的規律性，確定材料的疲勞極限[13]。但在疲勞裂紋形成以前，如何定義疲勞損傷則十分困難[14]。 研究工作者用電子顯微鏡對疲勞裂紋擴展微觀機理做了大量的研究工作，取得了重要的成果，在文獻[7]、[9]、[12]、[15]～[8]中做了很好的總結。這些研究成果為疲勞裂紋擴展的微觀與宏觀力學模型的建立提供了可靠的物理基礎[19]。 材料疲勞性能表達式可通過下述途徑求得：①總結試驗數據，得出經驗規律及表達式[20～23]。在開展研究工作的初期，這也是行之有效的方法。②在現有的關于疲勞的微觀機理和力學的研究基礎上，提出某種假設，進而導出相關的疲勞的公式[19]。顯然，這假設應是合乎邏輯的，并能滿足一定的邊界條件，并且，這樣的疲勞公式也需要進行試驗驗證。③隨著疲勞研究工作的深人和相關學科的發展，有條件地提出理論模型，進而導出定量的疲勞公式。 1.3.3 疲勞試件 在材料的力學性能，包括材料疲勞的研究中，采用三種不同幾何特征的試件，即光滑試件、切口試件和帶裂紋的試件[1，5，7]。光滑試件主要用于測定材料的基本疲勞性能，例如應力疲勞壽命曲線、應變疲勞壽命曲線和疲勞極限等，作為評定材料疲勞性能和結構件壽命預測的重要依據[5，10，11，24]，也用于研究疲勞損傷微觀機理[7-9]。 在機械和工程結構零部件的加工過程中，會產生裂紋或裂紋式的缺陷。在結構件的服役過程中，由于疲勞、蠕變、腐蝕等原因，也會在其中產生裂紋。在隨后的服役過程中，裂紋會不斷長大，引起結構承載能力和剛度的降低以及共振頻率的變化。因此，結構件中的裂紋要力圖避免或嚴格地加以限制[1]。但是，在結構件中、尤其是高塑性材料的結構件中出現裂紋后，并不會立即引起斷裂，而有一段穩態擴展期，即疲勞裂紋擴展壽命：僅當裂紋擴展到臨界尺寸時，斷裂才會發生。因此，要用帶裂紋的試件測定材料的疲勞裂紋擴展速率與門檻值以及斷裂韌性[1，5，7，9，12]。應用線彈性斷裂力學方法，利用材料的疲勞裂紋擴展速率表達式和斷裂韌性K1C 之值，可估算含裂紋結構件的疲勞裂紋擴展壽命、斷裂應力（或稱剩余強度）和臨界裂紋尺寸。 由于結構細節設計的需要，結構件中總會含有幾何不連續性，例如連接孔、凸臺、溝槽等。這些幾何不連續性可看成是廣義的切口。切口的存在引起結構件中的應力和應變集中，改變切口根部的應力分布[23，25]，會影響材料的疲勞性能，包括疲勞壽命和疲勞極限[23]。所以要采用切口試件模擬結構件，測定材料的疲勞裂紋起始壽命和疲勞裂紋擴展壽命[26]，作為結構件壽命預測的依據[26]。特別是結構中的關鍵承力結構件，不允許存在裂紋或對裂紋加以嚴格限制[1]。因此，精確地預測結構件的疲勞裂紋起始壽命，對于確保結構的運行安全，具有重要的實際意義。疲勞裂紋形成以后，切口件即轉化為帶裂紋件，疲勞損傷以裂紋擴展的形式發展。所以，要用帶裂紋的試件，測定在循環載荷作用下的疲勞裂紋擴展速率，給出疲勞裂紋擴展速率表達式，可用于預測結構件的疲勞裂紋擴展壽命[1，5，6]。 據此，可以認為，含切口的結構件的整個疲勞失效過程可分為三個階段：疲勞裂紋在切口根部形成，已形成裂紋以一定的速度進行穩態擴展，裂紋擴展到臨界尺寸時發生失穩擴展而導致斷裂。所以，含切口的結構件的疲勞壽命由疲勞裂紋起始壽命和疲勞裂紋擴展壽命兩部分組成。應用切口試件模擬結構件，研究其疲勞失效過程與疲勞壽命，更接近工程實際情況。 1.3.4 疲勞試驗載荷 在疲勞的基礎研究中，疲勞試驗常在等幅載荷下進行，即*大載荷、載荷幅度不隨時間而改變。這是引起材料疲勞損傷的*簡單的、也是基本的循環加載形式。循環加載的特征要用兩個參數表示，即應力范圍AS，即循環*大應力與循環*小應力之差，或應力幅，以及應力比尺或平均應力。加于試件上的循環載荷保持恒定，也就是試件所受的應力范圍（AS）或應力幅（Sa）、應力比或平均應力保持恒定。由應力疲勞試驗測定的疲勞壽命曲線稱為應力疲勞壽命曲線，它通常可表示為，但*好能表示為或。在結構的服役載荷下，應力范圍、平均應力或應力比是隨時間而變動的，因此，將疲勞壽命表示為：或，可以很方便地用于預測結構在變幅載荷下的疲勞壽命[11]。
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