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焊接結構的疲勞損傷與斷裂(精)/裝備結構強度及可靠性叢書 版權信息
- ISBN：9787030727480
- 條形碼：9787030727480 ; 978-7-03-072748-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
焊接結構的疲勞損傷與斷裂(精)/裝備結構強度及可靠性叢書 本書特色
本書可供機械工程及相關專業研究生及高年級本科生參考，對于從事航空航天、火力發電、新一代核電等領域設備強度分析與設計、焊接工藝開發及結構完整性評價的研究人員，也具有一定的參考價值。
焊接結構的疲勞損傷與斷裂(精)/裝備結構強度及可靠性叢書 內容簡介
本書以焊接結構疲勞失效為主線，闡述了損傷與斷裂試驗、機理、相關理論與方法及斷裂防控技術等方面的研究成果。全書共分為11章，由進展與趨勢（第1、2章）、疲勞損傷（第3、4章）、疲勞斷裂（第5～7章）和超長壽命疲勞（第8～11章）四部分組成。第1章為總論，對疲勞研究進行回顧與展望；第2章闡述焊接結構疲勞研究的主要進展與問題；第3章與第4章分別介紹焊接接頭損傷的不均勻性表征和微區疲勞損傷問題；第5～7章聚焦疲勞門檻值，分別介紹焊接接頭的疲勞門檻值試驗測定、斷裂機理和門檻值預測等工作；第8～10章分別介紹焊接接頭高周疲勞試驗方法及同種和異種鋼接頭的超高周疲勞強度；第11章闡述長壽命服役焊接結構的斷裂防控技術。 本書可供機械工程及相關專業研究生及高年級本科生參考，對于從事航空航天、火力發電、新一代核電等領域設備強度分析與設計、焊接工藝開發及結構完整性評價的研究人員，也具有一定的參考價值。
焊接結構的疲勞損傷與斷裂(精)/裝備結構強度及可靠性叢書 目錄
目錄
前言
第1章 疲勞研究的回顧與展望 1
1.1 疲勞研究的緣起與演化 1
1.1.1 古老文明的涵養 1
1.1.2 蒸汽動力催生結構失效 1
1.1.3 結構失效驅動疲勞的研究 3
1.1.4 疲勞研究支撐機械強度學科 5
1.2 文獻綜合分析 6
1.2.1 論文發表情況 6
1.2.2 重要影響工作分析 8
1.2.3 關鍵研究領域分析 12
1.2.4 國內主要研究單位分析 15
1.2.5 中美比較分析 17
1.2.6 疲勞研究領域科學基金資助分析 18
1.2.7 從熱點看趨勢 20
1.3 主要研究進展 20
1.3.1 里程碑式的工作 20
1.3.2 基于應變-壽命曲線的歐洲疲勞設計理論體系 21
1.3.3 基于應變-壽命曲線的美國疲勞設計理論體系 22
1.3.4 我國結構疲勞研究的主要進展 22
1.3.5 疲勞裂紋擴展機制及理論描述 23
1.3.6 蠕變-疲勞交互效應 24
1.3.7 腐蝕疲勞模型 24
1.3.8 超高周疲勞行為 25
1.3.9 疲勞試驗技術 26
1.3.10 疲勞分析計算技術 27
1.4 疲勞研究的挑戰與機遇 28
1.4.1 疲勞研究領域的待解難題 28
1.4.2 大數據時代的疲勞強度學 32
1.5 總結與展望 32
參考文獻 33
本章主要符號說明 43
第2章 焊接結構疲勞失效研究進展 44
2.1 焊接結構的特點 44
2.2 高端裝備焊接新工藝 45
2.2.1 深窄間隙埋弧焊技術 45
2.2.2 電子束焊接技術 46
2.2.3 攪拌摩擦焊接技術 47
2.3 焊接結構疲勞研究新進展 48
2.3.1 被引次數較多的30篇論文 48
2.3.2 焊接新工藝推動疲勞問題研究 50
2.3.3 焊接結構疲勞評定方法 50
2.3.4 焊接接頭的疲勞損傷監測技術 52
2.3.5 焊接接頭的疲勞強化方法 52
2.3.6 殘余應力與熱影響區的影響 52
2.4 超長壽命服役引起的新問題 53
2.5 焊接結構疲勞研究的難點 54
參考文獻 56
本章主要符號說明 60
第3章 焊接接頭的損傷不均勻性表征 61
3.1 接頭組織與宏觀性能的不均勻性 61
3.1.1 接頭冶金與微觀組織 61
3.1.2 接頭拉伸與沖擊試驗研究 64
3.2 基于微試樣拉伸的局部力學行為 68
3.3 基于有限元分析的焊接接頭應變分布 69
3.4 基于數字圖像相關法的不均勻損傷表征 70
3.4.1 熔合線附近的應變不均勻性 70
3.4.2 多層多道焊縫內部的應變不均勻性 76
3.5 基于微觀組織和硬度數據的焊接接頭強度預測 78
3.5.1 顯微硬度與納米硬度的關系 78
3.5.2 硬度與微觀組織的關系 80
3.5.3 焊接接頭強度分布預測方法 82
3.5.4 強度預測方法的進一步拓展 85
參考文獻 86
本章主要符號說明 88
第4章 焊接接頭微區疲勞短裂紋擴展行為 89
4.1 接頭熱影響區內部疲勞短裂紋擴展行為 90
4.1.1 接頭微區組織表征與原位疲勞裂紋擴展試驗 90
4.1.2 疲勞短裂紋擴展速率與路徑的關系 93
4.1.3 微觀組織與強度梯度對微區疲勞短裂紋擴展的影響 96
4.2 物理短裂紋的閉合行為及擴展驅動力模型 100
4.2.1 短裂紋閉合力的測量 100
4.2.2 短裂紋閉合的預測模型 106
4.2.3 疲勞短裂紋擴展驅動力模型 107
4.3 疲勞短裂紋擴展過程裂尖應變場表征 110
4.3.1 裂紋擴展過程全場應變測量 110
4.3.2 裂紋偏折過程裂尖應變測量 113
4.3.3 裂紋閉合過程裂尖應變測量 114
4.3.4 裂尖應變與尾跡COD值的定量表征 116
4.4 疲勞裂紋擴展過程微觀組織損傷表征 118
4.4.1 電子通道襯度成像分析 118
4.4.2 電子背散射衍射分析 119
參考文獻 120
本章主要符號說明 124
第5章 焊接接頭的疲勞裂紋擴展門檻值 125
5.1 疲勞門檻值的確定方法 125
5.1.1 基于試驗方法直接測定疲勞門檻值 126
5.1.2 確定疲勞門檻值的其他方法 127
5.2 疲勞門檻值試驗技術新進展 128
5.3 焊接接頭疲勞門檻值的分布 128
5.4 轉折點與疲勞門檻值的關系 130
5.5 應力比與疲勞門檻值的關系 132
5.6 試樣形狀對疲勞門檻值的影響 133
5.6.1 疲勞門檻值的拘束貢獻 133
5.6.2 宏觀拘束與微觀擴展路徑的關系 134
5.6.3 試樣拘束與裂紋閉合效應的關系 135
參考文獻 141
本章主要符號說明 144
第6章 近門檻值區疲勞裂紋擴展的微觀機制 145
6.1 微觀組織的影響機制 145
6.1.1 不同微觀組織的疲勞抗力 145
6.1.2 斷口形貌與裂紋擴展路徑 147
6.1.3 基于裂紋閉合的微觀機制 150
6.2 近門檻值區斷裂模式的轉變機理 151
6.2.1 斷口表面沿晶斷裂的分布 152
6.2.2 面型斷裂的形成機制 155
6.2.3 面型斷裂引起的新型閉合模式 156
6.2.4 固有疲勞門檻值模型 157
6.3 近門檻值區疲勞裂紋擴展曲線轉折點 158
6.3.1 轉折點處斷口形貌的變化 158
6.3.2 轉折點處表面粗糙度的變化規律 162
6.3.3 微觀組織對疲勞裂紋擴展曲線轉折行為的影響 164
6.3.4 應力比對疲勞裂紋擴展曲線轉折行為的影響 166
6.3.5 疲勞裂紋擴展曲線轉折點的預測模型 166
6.4 超長周期服役對材料疲勞門檻值的影響 168
6.4.1 焊接接頭微觀組織變化 168
6.4.2 疲勞裂紋擴展行為 173
6.4.3 有效特征組織尺寸 175
參考文獻 177
本章主要符號說明 181
第7章 疲勞裂紋擴展應力比效應的統一理論模型 182
7.1 基于裂紋閉合的裂紋擴展模型 182
7.2 基于等效驅動力的裂紋擴展模型 183
7.3 統一理論模型的建立 185
7.3.1 Zhu-Xuan模型 185
7.3.2 Kwofie-Zhu模型 187
7.4 統一理論模型的適用性驗證 190
7.4.1 Zhu-Xuan模型的預測效果 190
7.4.2 Zhu-Xuan模型對CrMoV同類型鋼的預測效果 191
7.4.3 Zhu-Xuan模型與Kwofie-Zhu模型的比較 194
7.5 時間相關的疲勞門檻值預測方法 196
7.5.1 時效老化前后的疲勞門檻值預測 196
7.5.2 表征時效影響的參量 197
7.5.3 焊縫時效后疲勞門檻值的預測 198
7.6 統一理論模型的科學本質 199
參考文獻 200
本章主要符號說明 202
第8章 焊接接頭高周疲勞試驗研究 203
8.1 焊接接頭高周疲勞的關鍵問題 203
8.1.1 疲勞試樣形式的選擇 203
8.1.2 溫度相關的動態應變時效行為 206
8.1.3 結構弱區與內部缺陷的競爭行為 208
8.1.4 微缺陷的影響機制 212
8.2 焊接接頭高周疲勞的應變速率效應 214
8.2.1 加載頻率的相關性 214
8.2.2 頻率效應對疲勞壽命的影響 220
8.2.3 應變速率效應的科學本質 221
8.3 低強鋼超高周疲勞循環硬化行為 222
8.3.1 表面形態的變化 222
8.3.2 循環硬化行為的表征方法 223
8.3.3 循環硬化的微觀機制 224
參考文獻 225
本章主要符號說明 228
第9章 同種鋼焊接接頭的超高周疲勞強度 229
9.1 CrNiMoV鋼焊接接頭的不均勻微觀組織 229
9.2 焊接接頭疲勞強度的溫度相關性 231
9.2.1 疲勞S-N曲線形狀的變化 231
9.2.2 疲勞裂紋萌生模式的差異 232
9.2.3 疲勞試樣的顯微硬度與微觀結構 234
9.2.4 疲勞起裂與斷裂位置的轉移 235
9.2.5 高溫下材料彈性響應的影響 238
9.3 尺寸與頻率的耦合效應 238
9.3.1 疲勞試驗S-N曲線 238
9.3.2 疲勞裂紋萌生模式 240
9.3.3 疲勞斷裂位置的轉移 242
9.3.4 缺陷統計分析方法 242
9.3.5 疲勞強度的理論模型 244
9.4 表面殘余應力的影響 246
9.5 焊接接頭的氫脆敏感性 247
9.5.1 充氫對疲勞壽命的影響 247
9.5.2 疲勞裂紋萌生模式的變化 248
9.5.3 充氫對內部破壞過程的影響 249
9.6 焊接接頭疲勞強度削弱系數 250
9.7 焊接接頭疲勞強度評價方法 252
9.7.1 典型疲勞設計準則 252
9.7.2 焊接結構超長壽命疲勞設計 254
參考文獻 255
本章主要符號說明 257
第10章 異種鋼焊接接頭超高周疲勞強度 258
10.1 異種鋼焊接工藝及接頭微觀組織 258
10.1.1 微觀組織的不均勻性 258
10.1.2 顯微硬度分布 259
10.2 異種鋼焊接接頭的拉伸與疲勞行為 261
10.2.1 試樣形式與試驗方法 261
10.2.2 接頭的拉伸斷裂 262
10.2.3 接頭的S-N曲線 263
10.3 異種鋼焊接接頭的宏微觀疲勞破壞機制 264
10.3.1 宏觀斷裂位置的轉變 264
10.3.2 疲勞裂紋萌生機制 267
10.4 異種鋼焊接接頭抗疲勞設計與分析 270
10.4.1 疲勞強度削弱系數 270
10.4.2 接頭的抗疲勞設計 271
參考文獻 274
第11章 長壽命服役焊接結構的斷裂防控 275
11.1 基于結構弱區的傳統設計方法 275
11.2 基于斷裂力學的焊接缺陷安全評定方法 276
11.2.1 焊接缺陷的安全評定 276
11.2.2 焊接工藝優化案例 278
11.3 基于微缺陷致裂的壽命設計方法 279
11.3.1 Murakami模型 279
11.3.2 考慮缺陷致裂過程的壽命模型 279
11.3.3 壽命控制Z參量模型 280
11.3.4 Z參量模型的驗證 281
11.4 基于設計/制造一體化的抗疲勞理念 282
參考文獻 284
本章主要符號說明 286
前言
第1章 疲勞研究的回顧與展望 1
1.1 疲勞研究的緣起與演化 1
1.1.1 古老文明的涵養 1
1.1.2 蒸汽動力催生結構失效 1
1.1.3 結構失效驅動疲勞的研究 3
1.1.4 疲勞研究支撐機械強度學科 5
1.2 文獻綜合分析 6
1.2.1 論文發表情況 6
1.2.2 重要影響工作分析 8
1.2.3 關鍵研究領域分析 12
1.2.4 國內主要研究單位分析 15
1.2.5 中美比較分析 17
1.2.6 疲勞研究領域科學基金資助分析 18
1.2.7 從熱點看趨勢 20
1.3 主要研究進展 20
1.3.1 里程碑式的工作 20
1.3.2 基于應變-壽命曲線的歐洲疲勞設計理論體系 21
1.3.3 基于應變-壽命曲線的美國疲勞設計理論體系 22
1.3.4 我國結構疲勞研究的主要進展 22
1.3.5 疲勞裂紋擴展機制及理論描述 23
1.3.6 蠕變-疲勞交互效應 24
1.3.7 腐蝕疲勞模型 24
1.3.8 超高周疲勞行為 25
1.3.9 疲勞試驗技術 26
1.3.10 疲勞分析計算技術 27
1.4 疲勞研究的挑戰與機遇 28
1.4.1 疲勞研究領域的待解難題 28
1.4.2 大數據時代的疲勞強度學 32
1.5 總結與展望 32
參考文獻 33
本章主要符號說明 43
第2章 焊接結構疲勞失效研究進展 44
2.1 焊接結構的特點 44
2.2 高端裝備焊接新工藝 45
2.2.1 深窄間隙埋弧焊技術 45
2.2.2 電子束焊接技術 46
2.2.3 攪拌摩擦焊接技術 47
2.3 焊接結構疲勞研究新進展 48
2.3.1 被引次數較多的30篇論文 48
2.3.2 焊接新工藝推動疲勞問題研究 50
2.3.3 焊接結構疲勞評定方法 50
2.3.4 焊接接頭的疲勞損傷監測技術 52
2.3.5 焊接接頭的疲勞強化方法 52
2.3.6 殘余應力與熱影響區的影響 52
2.4 超長壽命服役引起的新問題 53
2.5 焊接結構疲勞研究的難點 54
參考文獻 56
本章主要符號說明 60
第3章 焊接接頭的損傷不均勻性表征 61
3.1 接頭組織與宏觀性能的不均勻性 61
3.1.1 接頭冶金與微觀組織 61
3.1.2 接頭拉伸與沖擊試驗研究 64
3.2 基于微試樣拉伸的局部力學行為 68
3.3 基于有限元分析的焊接接頭應變分布 69
3.4 基于數字圖像相關法的不均勻損傷表征 70
3.4.1 熔合線附近的應變不均勻性 70
3.4.2 多層多道焊縫內部的應變不均勻性 76
3.5 基于微觀組織和硬度數據的焊接接頭強度預測 78
3.5.1 顯微硬度與納米硬度的關系 78
3.5.2 硬度與微觀組織的關系 80
3.5.3 焊接接頭強度分布預測方法 82
3.5.4 強度預測方法的進一步拓展 85
參考文獻 86
本章主要符號說明 88
第4章 焊接接頭微區疲勞短裂紋擴展行為 89
4.1 接頭熱影響區內部疲勞短裂紋擴展行為 90
4.1.1 接頭微區組織表征與原位疲勞裂紋擴展試驗 90
4.1.2 疲勞短裂紋擴展速率與路徑的關系 93
4.1.3 微觀組織與強度梯度對微區疲勞短裂紋擴展的影響 96
4.2 物理短裂紋的閉合行為及擴展驅動力模型 100
4.2.1 短裂紋閉合力的測量 100
4.2.2 短裂紋閉合的預測模型 106
4.2.3 疲勞短裂紋擴展驅動力模型 107
4.3 疲勞短裂紋擴展過程裂尖應變場表征 110
4.3.1 裂紋擴展過程全場應變測量 110
4.3.2 裂紋偏折過程裂尖應變測量 113
4.3.3 裂紋閉合過程裂尖應變測量 114
4.3.4 裂尖應變與尾跡COD值的定量表征 116
4.4 疲勞裂紋擴展過程微觀組織損傷表征 118
4.4.1 電子通道襯度成像分析 118
4.4.2 電子背散射衍射分析 119
參考文獻 120
本章主要符號說明 124
第5章 焊接接頭的疲勞裂紋擴展門檻值 125
5.1 疲勞門檻值的確定方法 125
5.1.1 基于試驗方法直接測定疲勞門檻值 126
5.1.2 確定疲勞門檻值的其他方法 127
5.2 疲勞門檻值試驗技術新進展 128
5.3 焊接接頭疲勞門檻值的分布 128
5.4 轉折點與疲勞門檻值的關系 130
5.5 應力比與疲勞門檻值的關系 132
5.6 試樣形狀對疲勞門檻值的影響 133
5.6.1 疲勞門檻值的拘束貢獻 133
5.6.2 宏觀拘束與微觀擴展路徑的關系 134
5.6.3 試樣拘束與裂紋閉合效應的關系 135
參考文獻 141
本章主要符號說明 144
第6章 近門檻值區疲勞裂紋擴展的微觀機制 145
6.1 微觀組織的影響機制 145
6.1.1 不同微觀組織的疲勞抗力 145
6.1.2 斷口形貌與裂紋擴展路徑 147
6.1.3 基于裂紋閉合的微觀機制 150
6.2 近門檻值區斷裂模式的轉變機理 151
6.2.1 斷口表面沿晶斷裂的分布 152
6.2.2 面型斷裂的形成機制 155
6.2.3 面型斷裂引起的新型閉合模式 156
6.2.4 固有疲勞門檻值模型 157
6.3 近門檻值區疲勞裂紋擴展曲線轉折點 158
6.3.1 轉折點處斷口形貌的變化 158
6.3.2 轉折點處表面粗糙度的變化規律 162
6.3.3 微觀組織對疲勞裂紋擴展曲線轉折行為的影響 164
6.3.4 應力比對疲勞裂紋擴展曲線轉折行為的影響 166
6.3.5 疲勞裂紋擴展曲線轉折點的預測模型 166
6.4 超長周期服役對材料疲勞門檻值的影響 168
6.4.1 焊接接頭微觀組織變化 168
6.4.2 疲勞裂紋擴展行為 173
6.4.3 有效特征組織尺寸 175
參考文獻 177
本章主要符號說明 181
第7章 疲勞裂紋擴展應力比效應的統一理論模型 182
7.1 基于裂紋閉合的裂紋擴展模型 182
7.2 基于等效驅動力的裂紋擴展模型 183
7.3 統一理論模型的建立 185
7.3.1 Zhu-Xuan模型 185
7.3.2 Kwofie-Zhu模型 187
7.4 統一理論模型的適用性驗證 190
7.4.1 Zhu-Xuan模型的預測效果 190
7.4.2 Zhu-Xuan模型對CrMoV同類型鋼的預測效果 191
7.4.3 Zhu-Xuan模型與Kwofie-Zhu模型的比較 194
7.5 時間相關的疲勞門檻值預測方法 196
7.5.1 時效老化前后的疲勞門檻值預測 196
7.5.2 表征時效影響的參量 197
7.5.3 焊縫時效后疲勞門檻值的預測 198
7.6 統一理論模型的科學本質 199
參考文獻 200
本章主要符號說明 202
第8章 焊接接頭高周疲勞試驗研究 203
8.1 焊接接頭高周疲勞的關鍵問題 203
8.1.1 疲勞試樣形式的選擇 203
8.1.2 溫度相關的動態應變時效行為 206
8.1.3 結構弱區與內部缺陷的競爭行為 208
8.1.4 微缺陷的影響機制 212
8.2 焊接接頭高周疲勞的應變速率效應 214
8.2.1 加載頻率的相關性 214
8.2.2 頻率效應對疲勞壽命的影響 220
8.2.3 應變速率效應的科學本質 221
8.3 低強鋼超高周疲勞循環硬化行為 222
8.3.1 表面形態的變化 222
8.3.2 循環硬化行為的表征方法 223
8.3.3 循環硬化的微觀機制 224
參考文獻 225
本章主要符號說明 228
第9章 同種鋼焊接接頭的超高周疲勞強度 229
9.1 CrNiMoV鋼焊接接頭的不均勻微觀組織 229
9.2 焊接接頭疲勞強度的溫度相關性 231
9.2.1 疲勞S-N曲線形狀的變化 231
9.2.2 疲勞裂紋萌生模式的差異 232
9.2.3 疲勞試樣的顯微硬度與微觀結構 234
9.2.4 疲勞起裂與斷裂位置的轉移 235
9.2.5 高溫下材料彈性響應的影響 238
9.3 尺寸與頻率的耦合效應 238
9.3.1 疲勞試驗S-N曲線 238
9.3.2 疲勞裂紋萌生模式 240
9.3.3 疲勞斷裂位置的轉移 242
9.3.4 缺陷統計分析方法 242
9.3.5 疲勞強度的理論模型 244
9.4 表面殘余應力的影響 246
9.5 焊接接頭的氫脆敏感性 247
9.5.1 充氫對疲勞壽命的影響 247
9.5.2 疲勞裂紋萌生模式的變化 248
9.5.3 充氫對內部破壞過程的影響 249
9.6 焊接接頭疲勞強度削弱系數 250
9.7 焊接接頭疲勞強度評價方法 252
9.7.1 典型疲勞設計準則 252
9.7.2 焊接結構超長壽命疲勞設計 254
參考文獻 255
本章主要符號說明 257
第10章 異種鋼焊接接頭超高周疲勞強度 258
10.1 異種鋼焊接工藝及接頭微觀組織 258
10.1.1 微觀組織的不均勻性 258
10.1.2 顯微硬度分布 259
10.2 異種鋼焊接接頭的拉伸與疲勞行為 261
10.2.1 試樣形式與試驗方法 261
10.2.2 接頭的拉伸斷裂 262
10.2.3 接頭的S-N曲線 263
10.3 異種鋼焊接接頭的宏微觀疲勞破壞機制 264
10.3.1 宏觀斷裂位置的轉變 264
10.3.2 疲勞裂紋萌生機制 267
10.4 異種鋼焊接接頭抗疲勞設計與分析 270
10.4.1 疲勞強度削弱系數 270
10.4.2 接頭的抗疲勞設計 271
參考文獻 274
第11章 長壽命服役焊接結構的斷裂防控 275
11.1 基于結構弱區的傳統設計方法 275
11.2 基于斷裂力學的焊接缺陷安全評定方法 276
11.2.1 焊接缺陷的安全評定 276
11.2.2 焊接工藝優化案例 278
11.3 基于微缺陷致裂的壽命設計方法 279
11.3.1 Murakami模型 279
11.3.2 考慮缺陷致裂過程的壽命模型 279
11.3.3 壽命控制Z參量模型 280
11.3.4 Z參量模型的驗證 281
11.4 基于設計/制造一體化的抗疲勞理念 282
參考文獻 284
本章主要符號說明 286
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焊接結構的疲勞損傷與斷裂(精)/裝備結構強度及可靠性叢書 節選
第1章 疲勞研究的回顧與展望 1.1 疲勞研究的緣起與演化 1.1.1 古老文明的涵養 在人類文明的發展史上，輪子、曲柄連桿機構、飛輪和齒輪等核心機構的發明改變了人類的生產和生活方式。公元前4000年左右，輪子的發明使人力、畜力拉車成為可能，其意義可與火的使用相提并論。西方汽車的發展就始于輪子，而中國運用輪子在西漢初年發明了記里鼓車，又稱“司里車”或“大章車”。公元31年，東漢南陽太守杜詩發明曲柄連桿機構(水排)，該機構將水力回轉運動轉變為連桿的往復運動，提高了冶鐵效率和質量，可在蒸汽機的曲柄滑塊機構中找到原型。1430年，德國出現了飛輪，后被瓦特用于蒸汽機。公元前約300年，齒輪在古希臘出現，直至1733年，卡米提出齒輪嚙合定律及1765年歐拉發明漸開線齒輪，成了能量傳遞的重要構件，如圖1-1所示。這些核心機構的發明被瓦特于1763年用于改良蒸汽機，成為機器動力革命的重要推動力。 圖1-1 輪子、曲柄連桿機構、飛輪和齒輪等核心機構的發明 1.1.2 蒸汽動力催生結構失效 蒸汽機的發明開啟了人類大規模運用火車、輪船等動力機械的時代。1804年，英國人特里維西克(Trevithick)設計了**臺鐵路蒸汽火車，人類進入鐵路時代；1807年，美國人富爾頓(Fulton)發明了蒸汽船，開始蒸汽輪船時代；1885年，德國人卡爾弗里德利希本茨(Karl Friedrich Benz)發明汽車，美國人福特于1914年建立流水裝配線，人類正式進入汽車時代；1903年，美國人萊特兄弟(Orville Wright和Wilbur Wright)發明了具有實際應用價值的飛機，開啟了人類利用航空的時代。動力革命支撐了大量新機器和結構的產生與應用，也改變了人們的生活方式和社會結構。 相比于早期的水力、人力驅動，蒸汽機驅動的機器運轉速度、頻率和載荷水平都得到了大幅提升，以高速、重載為特征的大工業引發大量機器失效。圖1-2為在發電、鐵路和航空工業領域典型的機器失效事故。針對機器失效的問題，世界各國相繼成立了專門機構。例如，1817年，英國成立專門委員會以防止蒸汽船爆炸的危險和破壞；1833年，英國成立曼徹斯特蒸汽鍋爐保險公司來檢查和確保鍋爐免受爆炸造成的損害；1911年，美國機械工程師協會(ASME)成立“蒸汽鍋爐和壓力容器建造和在役維護標準規范”委員會；1946年，美國測試與材料協會成立疲勞專業委員會；1979年，我國在國家勞動總局鍋爐局下建立鍋爐壓力容器檢測中心站。此外，一些國家或國際組織還頒布了統一的相關標準。例如，1911年，ASME發布了世界上**部鍋爐與壓力容器標準；1939年，英國標準協會BSI編寫熔焊壓力容器的標準和規范；1982年，我國正式頒布**部壓力容器部級標準。 圖1-2 動力機器的失效事故 (a)1974年美國田納西電廠爆炸汽輪機轉子的裂紋；(b)1998年德國Eschede火車脫軌；(c)2018年美國西南航空公司引擎爆炸事故 相對于靜態設備，動力機械具有的載荷不恒定、隨機波動和隨時間變化等特性構成了疲勞失效的典型特征。然而，疲勞問題的提出卻經過了漫長的探索過程。1837年，Albert[1]設計傳動鏈的測試裝置，發表**篇有關疲勞的論文；1839年，Poncelet[2]在巴黎大學報告中描述金屬會“累”；1843年，Rankine[3]在研究輪軌失效中意識到應力集中的重要性；1849年，Hodgkinson[4]提出了“結構上連續變化的載荷的影響，以及此類結構能耐載到什么程度而不影響安全”這個問題；1854年，Braithwaite[5]正式提出了“fatigue”概念。可見，疲勞的初期研究體現著人們對工程現象的再現，這一過程促使交變載荷下的疲勞成為機械強度學的重要分支。 相對而言，有關疲勞的科學知識在大學和課堂的傳授則遲于工業界的研究。例如，1794年，法國拿破侖支持成立巴黎技術學院(世界上**個工程教育機構)，開設機械課程(機構學、應用數學)；1846年，在德國教育家雷騰巴赫的倡導下，卡爾斯魯厄技術學校開設機械系，進一步形成機械設計課程體系；1847年，英國成立世界上**個工程學會，即英國機械工程學會；1861年，德國羅萊(Reuleaux)出版《機械設計者》，標志著機械設計學脫離應用力學；1924年，英國國家物理實驗室的Gough出版**部疲勞專著《金屬的疲勞》[6]；1980年，高鎮同教授出版我國**本疲勞方面的專著《疲勞性能測試》[7]。 1.1.3 結構失效驅動疲勞的研究 人們對疲勞的研究是從對失效事故的調查開始的。1842年，法國凡爾賽火車輪軸斷裂，火車出軌起火，造成多人死亡，此后發生了系列火車零部件破壞事故，促使人們開始重視并開展相關研究。那一時期的重點是如何再現破壞過程，為此開展了結構疲勞試驗。例如，Albert[1]開展了采礦提升機鏈條加載試驗，Fairbairn[8]開展了梁的彎曲疲勞試驗，并從試驗結果中認識到結構存在安全載荷。然而，僅通過結構疲勞試驗對破壞規律的認識不足，因此從試驗角度認識疲勞成為人們的研究重點，這一研究思路*終促進了疲勞極限和S-N曲線的提出。 1954年，首架英國彗星號(Comet)噴氣客機墜落地中海，事故源于飛機窗戶角的高應力集中區導致的疲勞。1957～1958年，連續發生了多起由結構疲勞失效引起的美軍B-47轟炸機空中解體失事事件。20世紀50年代發生的多起疲勞事故，促使人們更加關注缺口疲勞失效問題，推動了應變-疲勞理論與方法的發展與進步，應變-疲勞成為除應力-疲勞外的重要研究領域之一。 研究過程中，靜態破壞與循環加載失效的差異是一個必須要回答的問題。如圖1-3所示，靜態破壞時材料具有明顯的塑性變形，失效時的載荷超過了材料的斷裂強度；而在循環載荷條件下，材料承受低于屈服強度的載荷，經過多次往復加載后，*后發生突然斷裂。靜態破壞與循環載荷失效在斷裂機理上具有很大不同，疲勞破壞具有顯著的突發性和低應力特性，致使傳統靜態強度設計經驗失效，疲勞成為防止結構斷裂亟須解決的瓶頸問題。 圖1-3 靜態破壞與循環載荷失效的差異 對疲勞裂紋擴展規律的認識也起源于結構失效事故[9]。二戰期間，在美國2500余艘全焊接自由輪(liberty ship)中，700余艘發生由焊接接頭原始缺陷引起的斷裂事故[10]。1967～1969年，美國空軍F-111可變后掠翼戰機多達4架次由機翼樞紐加工原始裂紋缺陷導致的墜機事故[11]。1977年，波音707貨機在盧薩卡發生水平機翼初始裂紋擴展誘發的尾翼斷裂事故。這些失效事故使人們對缺陷和裂紋有了深刻的認識，缺陷處裂紋萌生及擴展行為與結構斷裂密切相關，而有關裂紋擴展規律的理論研究受益于20世紀60年代以來斷裂力學的發展。其中，Irwin[12]于1958年基于斷裂力學原理，研究了裂尖力學場的表征問題；Paris與Erdogen[13]于1963年報道疲勞裂紋擴展的冪指數規律，對疲勞裂紋擴展行為進行了理論分析；Elber[14]于1971年報道裂紋閉合的概念，揭示了應力比等因素對疲勞裂紋擴展行為的影響。 微觀分析技術的進步促使人們開展對疲勞失效損傷機理的研究，并分析其與靜態拉伸破壞的差異。靜態破壞時材料具有明顯的塑性變形，失效時的載荷超過了材料的斷裂強度；在循環載荷的條件下，雖然材料承受的載荷低于屈服強度，但經過多次往復加載后發生突然斷裂，這種突發性和低應力的特性，成為結構抗疲勞設計的難題。此外，不同疲勞破壞模式的出現，也推動著對疲勞裂紋萌生與擴展機理的研究不斷向深度和廣度拓展。 1.1.4 疲勞研究支撐機械強度學科 疲勞失效與可靠性研究的融合產生了新的學科方向。針對動力機器的失效問題：一方面，人們關注如何減小動應力，降低振動與噪聲，提高設備的可靠性，從而催生了振動力學，它以系統的平衡、轉子動力學、速度波動調節，以及振動、隔振與噪聲等問題為主要內容，相關研究促進了機械動力學的產生與發展；另一方面，人們考慮如何使材料更加“健壯”，從而使設備在有裂紋的情況下也能安全運行，由此產生了材料力學，它以材料的破壞機理、結構設計的安全準則、應力的準確表達及考慮構件幾何形狀的影響等為主要內容，進一步發展成為損傷力學、斷裂力學，進而產生了機械強度學，支撐了強度理論的發展[15]。機械動力學與機械強度學兩個學科的共同目標是一致的，即解決機器的失效、振動、可靠性和壽命預測等問題[16]。 在當前機械強度學的學科框架內，結構疲勞強度與壽命仍依賴于校核的原則，強度校核又依賴于設計準則。一個完整的結構強度設計通常由三部分組成。①相似性原理。相似性原理的內涵在于名義應力相同，壽命也相同；應力強度因子相同，裂紋擴展速率也相同。②設計準則。在給定壽命下，把設計與校核的準則設置為結構工作載荷低于材料破壞的臨界值。結構工作載荷可以為應力、應變和應力強度因子，材料破壞的臨界值可以為疲勞強度、斷裂韌性、疲勞裂紋擴展門檻值等參量，這些參量可通過材料疲勞試驗得到。③安全系數。安全系數的目的是通過考慮未知破壞機理，納入未知多因素的影響及交互作用，目標是通過納入工程不確定性而設置結構設計冗余。然而，在實際運用過程中，雖然損傷斷裂是材料現象，但設計中通常采用安全系數而不是更換材料的方案加以解決，安全系數實際上被作為包納工程多因素的黑匣子。 近百年來，疲勞強度的基礎研究支持了疲勞設計技術的進步。圖1-4為結構設計技術隨疲勞基礎研究的演化關系。從圖中可以看出，疲勞設計技術經歷了經驗類比設計、安全壽命設計、失效-安全設計、損傷容限設計和超長壽命設計五個階段。18世紀后，人們以材料力學為基礎進行經驗類比設計；20世紀50年代后，隨著高周疲勞理論的發展與成熟，引入線彈性強度理論和安全系數后，安全壽命是主要的設計技術，結構設計以無限壽命為目標；20世紀60年代，隨著低周疲勞和局部應力應變理論的發展，形成了失效-安全設計技術，其目的是允許構件失效但不引起整個部件的失效；20世紀70年代后，隨著疲勞斷裂理論和無損檢測技術的進步，損傷容限設計技術得到蓬勃發展，美國空軍于1974年頒布軍用規范——《飛機損傷容限需求：MIL-A-83444-1974》，其*大的特點是允許結構裂紋的存在，通過描述裂紋擴展并與疲勞壽命進行關聯，成為結構剩余壽命評價和預測的重要工具；進入21世紀，隨著人們對超高周疲勞研究的深入，將超高周疲勞的斷裂行為與材料的冶金和制造聯系起來，并考慮缺陷致裂，進而促使超長壽命設計方法成為研究的熱點，以滿足工程結構超長壽命服役的需求。 圖1-4 結構設計技術隨疲勞基礎研究的演化 盡管疲勞設計技術得到了長足的發展與進步，但大型寬體客機和第四代增殖反應堆等新型高端裝備的發展對疲勞強度、損傷模式與壽命設計的需求依然迫切，疲勞設計依然是高端裝備研發的重要使能技術。 1.2 文獻綜合分析 在疲勞研究中，人們發表了大量的學術論文和著作。通過對發表的文獻進行綜合分析，總結具有重要影響的工作和關鍵研究領域，解析和認識疲勞研究的發展與演化，從而透過熱點洞悉該領域未來的發展趨勢。 1.2.1 論文發表情況 以“fatigue”作為關鍵詞，在Web of Science數據庫中，共檢索到學術論文66521篇(截至2020年11月)。圖1-5為1970～2020年疲勞領域研究的論文發表情況。從圖中可以看出，論文發表數量逐年增加，尤其是近幾年，每年的論文發表數量已經超過3000篇。從增長趨勢中分析發現，論文數量基本呈現指數形式穩步增長，表明疲勞領域研究的熱門度逐漸升高。對檢索到的論文按學科領域分類(圖1-6)，可見機械工程、冶金工程和力學三個學科發表的論文約占據論文總數的
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