第1章 疲劳研究的回顾与展望
　　1.1 疲劳研究的缘起与演化
　　1.1.1 古老文明的涵养
　　在人类文明的发展史上，轮子、曲柄连杆机构、飞轮和齿轮等核心机构的发明改变了人类的生产和生活方式。公元前4000年左右，轮子的发明使人力、畜力拉车成为可能，其意义可与火的使用相提并论。西方汽车的发展就始于轮子，而中国运用轮子在西汉初年发明了记里鼓车，又称“司里车”或“大章车”。公元31年，东汉南阳太守杜诗发明曲柄连杆机构(水排)，该机构将水力回转运动转变为连杆的往复运动，提高了冶铁效率和质量，可在蒸汽机的曲柄滑块机构中找到原型。1430年，德国出现了飞轮，后被瓦特用于蒸汽机。公元前约300年，齿轮在古希腊出现，直至1733年，卡米提出齿轮啮合定律及1765年欧拉发明渐开线齿轮，成了能量传递的重要构件，如图1-1所示。这些核心机构的发明被瓦特于1763年用于改良蒸汽机，成为机器动力革命的重要推动力。
　　图1-1 轮子、曲柄连杆机构、飞轮和齿轮等核心机构的发明
　　1.1.2 蒸汽动力催生结构失效
　　蒸汽机的发明开启了人类大规模运用火车、轮船等动力机械的时代。1804年，英国人特里维西克(Trevithick)设计了第一台铁路蒸汽火车，人类进入铁路时代；1807年，美国人富尔顿(Fulton)发明了蒸汽船，开始蒸汽轮船时代；1885年，德国人卡尔弗里德利希本茨(Karl Friedrich Benz)发明汽车，美国人福特于1914年建立流水装配线，人类正式进入汽车时代；1903年，美国人莱特兄弟(Orville Wright和Wilbur Wright)发明了具有实际应用价值的飞机，开启了人类利用航空的时代。动力革命支撑了大量新机器和结构的产生与应用，也改变了人们的生活方式和社会结构。
　　相比于早期的水力、人力驱动，蒸汽机驱动的机器运转速度、频率和载荷水平都得到了大幅提升，以高速、重载为特征的大工业引发大量机器失效。图1-2为在发电、铁路和航空工业领域典型的机器失效事故。针对机器失效的问题，世界各国相继成立了专门机构。例如，1817年，英国成立专门委员会以防止蒸汽船爆炸的危险和破坏；1833年，英国成立曼彻斯特蒸汽锅炉保险公司来检查和确保锅炉免受爆炸造成的损害；1911年，美国机械工程师协会(ASME)成立“蒸汽锅炉和压力容器建造和在役维护标准规范”委员会；1946年，美国测试与材料协会成立疲劳专业委员会；1979年，我国在国家劳动总局锅炉局下建立锅炉压力容器检测中心站。此外，一些国家或国际组织还颁布了统一的相关标准。例如，1911年，ASME发布了世界上第一部锅炉与压力容器标准；1939年，英国标准协会BSI编写熔焊压力容器的标准和规范；1982年，我国正式颁布第一部压力容器部级标准。
　　图1-2 动力机器的失效事故
　　(a)1974年美国田纳西电厂爆炸汽轮机转子的裂纹；(b)1998年德国Eschede火车脱轨；(c)2018年美国西南航空公司引擎爆炸事故
　　相对于静态设备，动力机械具有的载荷不恒定、随机波动和随时间变化等特性构成了疲劳失效的典型特征。然而，疲劳问题的提出却经过了漫长的探索过程。1837年，Albert[1]设计传动链的测试装置，发表第一篇有关疲劳的论文；1839年，Poncelet[2]在巴黎大学报告中描述金属会“累”；1843年，Rankine[3]在研究轮轨失效中意识到应力集中的重要性；1849年，Hodgkinson[4]提出了“结构上连续变化的载荷的影响，以及此类结构能耐载到什么程度而不影响安全”这个问题；1854年，Braithwaite[5]正式提出了“fatigue”概念。可见，疲劳的初期研究体现着人们对工程现象的再现，这一过程促使交变载荷下的疲劳成为机械强度学的重要分支。
　　相对而言，有关疲劳的科学知识在大学和课堂的传授则迟于工业界的研究。例如，1794年，法国拿破仑支持成立巴黎技术学院(世界上第一个工程教育机构)，开设机械课程(机构学、应用数学)；1846年，在德国教育家雷腾巴赫的倡导下，卡尔斯鲁厄技术学校开设机械系，进一步形成机械设计课程体系；1847年，英国成立世界上第一个工程学会，即英国机械工程学会；1861年，德国罗莱(Reuleaux)出版《机械设计者》，标志着机械设计学脱离应用力学；1924年，英国国家物理实验室的Gough出版第一部疲劳专著《金属的疲劳》[6]；1980年，高镇同教授出版我国第一本疲劳方面的专著《疲劳性能测试》[7]。
　　1.1.3 结构失效驱动疲劳的研究
　　人们对疲劳的研究是从对失效事故的调查开始的。1842年，法国凡尔赛火车轮轴断裂，火车出轨起火，造成多人死亡，此后发生了系列火车零部件破坏事故，促使人们开始重视并开展相关研究。那一时期的重点是如何再现破坏过程，为此开展了结构疲劳试验。例如，Albert[1]开展了采矿提升机链条加载试验，Fairbairn[8]开展了梁的弯曲疲劳试验，并从试验结果中认识到结构存在安全载荷。然而，仅通过结构疲劳试验对破坏规律的认识不足，因此从试验角度认识疲劳成为人们的研究重点，这一研究思路*终促进了疲劳极限和S-N曲线的提出。
　　1954年，首架英国彗星号(Comet)喷气客机坠落地中海，事故源于飞机窗户角的高应力集中区导致的疲劳。1957～1958年，连续发生了多起由结构疲劳失效引起的美军B-47轰炸机空中解体失事事件。20世纪50年代发生的多起疲劳事故，促使人们更加关注缺口疲劳失效问题，推动了应变-疲劳理论与方法的发展与进步，应变-疲劳成为除应力-疲劳外的重要研究领域之一。
　　研究过程中，静态破坏与循环加载失效的差异是一个必须要回答的问题。如图1-3所示，静态破坏时材料具有明显的塑性变形，失效时的载荷超过了材料的断裂强度；而在循环载荷条件下，材料承受低于屈服强度的载荷，经过多次往复加载后，*后发生突然断裂。静态破坏与循环载荷失效在断裂机理上具有很大不同，疲劳破坏具有显著的突发性和低应力特性，致使传统静态强度设计经验失效，疲劳成为防止结构断裂亟须解决的瓶颈问题。
　　图1-3 静态破坏与循环载荷失效的差异
　　对疲劳裂纹扩展规律的认识也起源于结构失效事故[9]。二战期间，在美国2500余艘全焊接自由轮(liberty ship)中，700余艘发生由焊接接头原始缺陷引起的断裂事故[10]。1967～1969年，美国空军F-111可变后掠翼战机多达4架次由机翼枢纽加工原始裂纹缺陷导致的坠机事故[11]。1977年，波音707货机在卢萨卡发生水平机翼初始裂纹扩展诱发的尾翼断裂事故。这些失效事故使人们对缺陷和裂纹有了深刻的认识，缺陷处裂纹萌生及扩展行为与结构断裂密切相关，而有关裂纹扩展规律的理论研究受益于20世纪60年代以来断裂力学的发展。其中，Irwin[12]于1958年基于断裂力学原理，研究了裂尖力学场的表征问题；Paris与Erdogen[13]于1963年报道疲劳裂纹扩展的幂指数规律，对疲劳裂纹扩展行为进行了理论分析；Elber[14]于1971年报道裂纹闭合的概念，揭示了应力比等因素对疲劳裂纹扩展行为的影响。
　　微观分析技术的进步促使人们开展对疲劳失效损伤机理的研究，并分析其与静态拉伸破坏的差异。静态破坏时材料具有明显的塑性变形，失效时的载荷超过了材料的断裂强度；在循环载荷的条件下，虽然材料承受的载荷低于屈服强度，但经过多次往复加载后发生突然断裂，这种突发性和低应力的特性，成为结构抗疲劳设计的难题。此外，不同疲劳破坏模式的出现，也推动着对疲劳裂纹萌生与扩展机理的研究不断向深度和广度拓展。
　　1.1.4 疲劳研究支撑机械强度学科
　　疲劳失效与可靠性研究的融合产生了新的学科方向。针对动力机器的失效问题：一方面，人们关注如何减小动应力，降低振动与噪声，提高设备的可靠性，从而催生了振动力学，它以系统的平衡、转子动力学、速度波动调节，以及振动、隔振与噪声等问题为主要内容，相关研究促进了机械动力学的产生与发展；另一方面，人们考虑如何使材料更加“健壮”，从而使设备在有裂纹的情况下也能安全运行，由此产生了材料力学，它以材料的破坏机理、结构设计的安全准则、应力的准确表达及考虑构件几何形状的影响等为主要内容，进一步发展成为损伤力学、断裂力学，进而产生了机械强度学，支撑了强度理论的发展[15]。机械动力学与机械强度学两个学科的共同目标是一致的，即解决机器的失效、振动、可靠性和寿命预测等问题[16]。
　　在当前机械强度学的学科框架内，结构疲劳强度与寿命仍依赖于校核的原则，强度校核又依赖于设计准则。一个完整的结构强度设计通常由三部分组成。①相似性原理。相似性原理的内涵在于名义应力相同，寿命也相同；应力强度因子相同，裂纹扩展速率也相同。②设计准则。在给定寿命下，把设计与校核的准则设置为结构工作载荷低于材料破坏的临界值。结构工作载荷可以为应力、应变和应力强度因子，材料破坏的临界值可以为疲劳强度、断裂韧性、疲劳裂纹扩展门槛值等参量，这些参量可通过材料疲劳试验得到。③安全系数。安全系数的目的是通过考虑未知破坏机理，纳入未知多因素的影响及交互作用，目标是通过纳入工程不确定性而设置结构设计冗余。然而，在实际运用过程中，虽然损伤断裂是材料现象，但设计中通常采用安全系数而不是更换材料的方案加以解决，安全系数实际上被作为包纳工程多因素的黑匣子。
　　近百年来，疲劳强度的基础研究支持了疲劳设计技术的进步。图1-4为结构设计技术随疲劳基础研究的演化关系。从图中可以看出，疲劳设计技术经历了经验类比设计、安全寿命设计、失效-安全设计、损伤容限设计和超长寿命设计五个阶段。18世纪后，人们以材料力学为基础进行经验类比设计；20世纪50年代后，随着高周疲劳理论的发展与成熟，引入线弹性强度理论和安全系数后，安全寿命是主要的设计技术，结构设计以无限寿命为目标；20世纪60年代，随着低周疲劳和局部应力应变理论的发展，形成了失效-安全设计技术，其目的是允许构件失效但不引起整个部件的失效；20世纪70年代后，随着疲劳断裂理论和无损检测技术的进步，损伤容限设计技术得到蓬勃发展，美国空军于1974年颁布军用规范——《飞机损伤容限需求：MIL-A-83444-1974》，其*大的特点是允许结构裂纹的存在，通过描述裂纹扩展并与疲劳寿命进行关联，成为结构剩余寿命评价和预测的重要工具；进入21世纪，随着人们对超高周疲劳研究的深入，将超高周疲劳的断裂行为与材料的冶金和制造联系起来，并考虑缺陷致裂，进而促使超长寿命设计方法成为研究的热点，以满足工程结构超长寿命服役的需求。
　　图1-4 结构设计技术随疲劳基础研究的演化
　　尽管疲劳设计技术得到了长足的发展与进步，但大型宽体客机和第四代增殖反应堆等新型高端装备的发展对疲劳强度、损伤模式与寿命设计的需求依然迫切，疲劳设计依然是高端装备研发的重要使能技术。
　　1.2 文献综合分析
　　在疲劳研究中，人们发表了大量的学术论文和著作。通过对发表的文献进行综合分析，总结具有重要影响的工作和关键研究领域，解析和认识疲劳研究的发展与演化，从而透过热点洞悉该领域未来的发展趋势。
　　1.2.1 论文发表情况
　　以“fatigue”作为关键词，在Web of Science数据库中，共检索到学术论文66521篇(截至2020年11月)。图1-5为1970～2020年疲劳领域研究的论文发表情况。从图中可以看出，论文发表数量逐年增加，尤其是近几年，每年的论文发表数量已经超过3000篇。从增长趋势中分析发现，论文数量基本呈现指数形式稳步增长，表明疲劳领域研究的热门度逐渐升高。对检索到的论文按学科领域分类(图1-6)，可见机械工程、冶金工程和力学三个学科发表的论文约占据论文总数的

目录
前言
第1章 疲劳研究的回顾与展望 1
1.1 疲劳研究的缘起与演化 1
1.1.1 古老文明的涵养 1
1.1.2 蒸汽动力催生结构失效 1
1.1.3 结构失效驱动疲劳的研究 3
1.1.4 疲劳研究支撑机械强度学科 5
1.2 文献综合分析 6
1.2.1 论文发表情况 6
1.2.2 重要影响工作分析 8
1.2.3 关键研究领域分析 12
1.2.4 国内主要研究单位分析 15
1.2.5 中美比较分析 17
1.2.6 疲劳研究领域科学基金资助分析 18
1.2.7 从热点看趋势 20
1.3 主要研究进展 20
1.3.1 里程碑式的工作 20
1.3.2 基于应变-寿命曲线的欧洲疲劳设计理论体系 21
1.3.3 基于应变-寿命曲线的美国疲劳设计理论体系 22
1.3.4 我国结构疲劳研究的主要进展 22
1.3.5 疲劳裂纹扩展机制及理论描述 23
1.3.6 蠕变-疲劳交互效应 24
1.3.7 腐蚀疲劳模型 24
1.3.8 超高周疲劳行为 25
1.3.9 疲劳试验技术 26
1.3.10 疲劳分析计算技术 27
1.4 疲劳研究的挑战与机遇 28
1.4.1 疲劳研究领域的待解难题 28
1.4.2 大数据时代的疲劳强度学 32
1.5 总结与展望 32
参考文献 33
本章主要符号说明 43
第2章 焊接结构疲劳失效研究进展 44
2.1 焊接结构的特点 44
2.2 高端装备焊接新工艺 45
2.2.1 深窄间隙埋弧焊技术 45
2.2.2 电子束焊接技术 46
2.2.3 搅拌摩擦焊接技术 47
2.3 焊接结构疲劳研究新进展 48
2.3.1 被引次数较多的30篇论文 48
2.3.2 焊接新工艺推动疲劳问题研究 50
2.3.3 焊接结构疲劳评定方法 50
2.3.4 焊接接头的疲劳损伤监测技术 52
2.3.5 焊接接头的疲劳强化方法 52
2.3.6 残余应力与热影响区的影响 52
2.4 超长寿命服役引起的新问题 53
2.5 焊接结构疲劳研究的难点 54
参考文献 56
本章主要符号说明 60
第3章 焊接接头的损伤不均匀性表征 61
3.1 接头组织与宏观性能的不均匀性 61
3.1.1 接头冶金与微观组织 61
3.1.2 接头拉伸与冲击试验研究 64
3.2 基于微试样拉伸的局部力学行为 68
3.3 基于有限元分析的焊接接头应变分布 69
3.4 基于数字图像相关法的不均匀损伤表征 70
3.4.1 熔合线附近的应变不均匀性 70
3.4.2 多层多道焊缝内部的应变不均匀性 76
3.5 基于微观组织和硬度数据的焊接接头强度预测 78
3.5.1 显微硬度与纳米硬度的关系 78
3.5.2 硬度与微观组织的关系 80
3.5.3 焊接接头强度分布预测方法 82
3.5.4 强度预测方法的进一步拓展 85
参考文献 86
本章主要符号说明 88
第4章 焊接接头微区疲劳短裂纹扩展行为 89
4.1 接头热影响区内部疲劳短裂纹扩展行为 90
4.1.1 接头微区组织表征与原位疲劳裂纹扩展试验 90
4.1.2 疲劳短裂纹扩展速率与路径的关系 93
4.1.3 微观组织与强度梯度对微区疲劳短裂纹扩展的影响 96
4.2 物理短裂纹的闭合行为及扩展驱动力模型 100
4.2.1 短裂纹闭合力的测量 100
4.2.2 短裂纹闭合的预测模型 106
4.2.3 疲劳短裂纹扩展驱动力模型 107
4.3 疲劳短裂纹扩展过程裂尖应变场表征 110
4.3.1 裂纹扩展过程全场应变测量 110
4.3.2 裂纹偏折过程裂尖应变测量 113
4.3.3 裂纹闭合过程裂尖应变测量 114
4.3.4 裂尖应变与尾迹COD值的定量表征 116
4.4 疲劳裂纹扩展过程微观组织损伤表征 118
4.4.1 电子通道衬度成像分析 118
4.4.2 电子背散射衍射分析 119
参考文献 120
本章主要符号说明 124
第5章 焊接接头的疲劳裂纹扩展门槛值 125
5.1 疲劳门槛值的确定方法 125
5.1.1 基于试验方法直接测定疲劳门槛值 126
5.1.2 确定疲劳门槛值的其他方法 127
5.2 疲劳门槛值试验技术新进展 128
5.3 焊接接头疲劳门槛值的分布 128
5.4 转折点与疲劳门槛值的关系 130
5.5 应力比与疲劳门槛值的关系 132
5.6 试样形状对疲劳门槛值的影响 133
5.6.1 疲劳门槛值的拘束贡献 133
5.6.2 宏观拘束与微观扩展路径的关系 134
5.6.3 试样拘束与裂纹闭合效应的关系 135
参考文献 141
本章主要符号说明 144
第6章 近门槛值区疲劳裂纹扩展的微观机制 145
6.1 微观组织的影响机制 145
6.1.1 不同微观组织的疲劳抗力 145
6.1.2 断口形貌与裂纹扩展路径 147
6.1.3 基于裂纹闭合的微观机制 150
6.2 近门槛值区断裂模式的转变机理 151
6.2.1 断口表面沿晶断裂的分布 152
6.2.2 面型断裂的形成机制 155
6.2.3 面型断裂引起的新型闭合模式 156
6.2.4 固有疲劳门槛值模型 157
6.3 近门槛值区疲劳裂纹扩展曲线转折点 158
6.3.1 转折点处断口形貌的变化 158
6.3.2 转折点处表面粗糙度的变化规律 162
6.3.3 微观组织对疲劳裂纹扩展曲线转折行为的影响 164
6.3.4 应力比对疲劳裂纹扩展曲线转折行为的影响 166
6.3.5 疲劳裂纹扩展曲线转折点的预测模型 166
6.4 超长周期服役对材料疲劳门槛值的影响 168
6.4.1 焊接接头微观组织变化 168
6.4.2 疲劳裂纹扩展行为 173
6.4.3 有效特征组织尺寸 175
参考文献 177
本章主要符号说明 181
第7章 疲劳裂纹扩展应力比效应的统一理论模型 182
7.1 基于裂纹闭合的裂纹扩展模型 182
7.2 基于等效驱动力的裂纹扩展模型 183
7.3 统一理论模型的建立 185
7.3.1 Zhu-Xuan模型 185
7.3.2 Kwofie-Zhu模型 187
7.4 统一理论模型的适用性验证 190
7.4.1 Zhu-Xuan模型的预测效果 190
7.4.2 Zhu-Xuan模型对CrMoV同类型钢的预测效果 191
7.4.3 Zhu-Xuan模型与Kwofie-Zhu模型的比较 194
7.5 时间相关的疲劳门槛值预测方法 196
7.5.1 时效老化前后的疲劳门槛值预测 196
7.5.2 表征时效影响的参量 197
7.5.3 焊缝时效后疲劳门槛值的预测 198
7.6 统一理论模型的科学本质 199
参考文献 200
本章主要符号说明 202
第8章 焊接接头高周疲劳试验研究 203
8.1 焊接接头高周疲劳的关键问题 203
8.1.1 疲劳试样形式的选择 203
8.1.2 温度相关的动态应变时效行为 206
8.1.3 结构弱区与内部缺陷的竞争行为 208
8.1.4 微缺陷的影响机制 212
8.2 焊接接头高周疲劳的应变速率效应 214
8.2.1 加载频率的相关性 214
8.2.2 频率效应对疲劳寿命的影响 220
8.2.3 应变速率效应的科学本质 221
8.3 低强钢超高周疲劳循环硬化行为 222
8.3.1 表面形态的变化 222
8.3.2 循环硬化行为的表征方法 223
8.3.3 循环硬化的微观机制 224
参考文献 225
本章主要符号说明 228
第9章 同种钢焊接接头的超高周疲劳强度 229
9.1 CrNiMoV钢焊接接头的不均匀微观组织 229
9.2 焊接接头疲劳强度的温度相关性 231
9.2.1 疲劳S-N曲线形状的变化 231
9.2.2 疲劳裂纹萌生模式的差异 232
9.2.3 疲劳试样的显微硬度与微观结构 234
9.2.4 疲劳起裂与断裂位置的转移 235
9.2.5 高温下材料弹性响应的影响 238
9.3 尺寸与频率的耦合效应 238
9.3.1 疲劳试验S-N曲线 238
9.3.2 疲劳裂纹萌生模式 240
9.3.3 疲劳断裂位置的转移 242
9.3.4 缺陷统计分析方法 242
9.3.5 疲劳强度的理论模型 244
9.4 表面残余应力的影响 246
9.5 焊接接头的氢脆敏感性 247
9.5.1 充氢对疲劳寿命的影响 247
9.5.2 疲劳裂纹萌生模式的变化 248
9.5.3 充氢对内部破坏过程的影响 249
9.6 焊接接头疲劳强度削弱系数 250
9.7 焊接接头疲劳强度评价方法 252
9.7.1 典型疲劳设计准则 252
9.7.2 焊接结构超长寿命疲劳设计 254
参考文献 255
本章主要符号说明 257
第10章 异种钢焊接接头超高周疲劳强度 258
10.1 异种钢焊接工艺及接头微观组织 258
10.1.1 微观组织的不均匀性 258
10.1.2 显微硬度分布 259
10.2 异种钢焊接接头的拉伸与疲劳行为 261
10.2.1 试样形式与试验方法 261
10.2.2 接头的拉伸断裂 262
10.2.3 接头的S-N曲线 263
10.3 异种钢焊接接头的宏微观疲劳破坏机制 264
10.3.1 宏观断裂位置的转变 264
10.3.2 疲劳裂纹萌生机制 267
10.4 异种钢焊接接头抗疲劳设计与分析 270
10.4.1 疲劳强度削弱系数 270
10.4.2 接头的抗疲劳设计 271
参考文献 274
第11章 长寿命服役焊接结构的断裂防控 275
11.1 基于结构弱区的传统设计方法 275
11.2 基于断裂力学的焊接缺陷安全评定方法 276
11.2.1 焊接缺陷的安全评定 276
11.2.2 焊接工艺优化案例 278
11.3 基于微缺陷致裂的寿命设计方法 279
11.3.1 Murakami模型 279
11.3.2 考虑缺陷致裂过程的寿命模型 279
11.3.3 寿命控制Z参量模型 280
11.3.4 Z参量模型的验证 281
11.4 基于设计/制造一体化的抗疲劳理念 282
参考文献 284
本章主要符号说明 286