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第1章 引言和综述 1

1．1 研究内容及其历史发展过程 1

1．1．1 案例研究：疲劳和彗星号客机 5

1．2 疲劳设计方法 8

1．2．1 总寿命法 8

1．2．2 损伤容限法 9

1．2．3 不同方法的比较 10

1．2．4 “安全-寿命”和“失效-安全”概念 10

1．2．5 案例研究：目标退役 11

1．3 机理性基础知识的重要性 12

1．4 连续介质力学 13

1．4．1 线弹性原理 14

1．4．2 应力不变量 15

1．4．3 塑性原理 16

1．4．4 线性粘弹性原理 19

1．4．5 粘塑性和粘性蠕变 21

1．5 延性单晶体的形变 21

1．5．1 分解切应力和切应变 22

习题 24

第1篇 循环形变和疲劳裂纹萌生 26

第2章 延性固体的循环形变 26

2．1 单晶体的循环应变硬化 27

2．2 单晶体的循环饱和 28

2．2．1 单向与循环塑性应变的比较 30

2．3 循环硬化的不稳定性 31

2．3．1 例题：活动滑移系的确定 32

2．3．2 位错脉络的形成 34

2．3．3 脉络结构的基本尺度 36

2．4 沿驻留滑移带的形变 36

2．5 驻留滑移带的位错结构 37

2．5．1 复合模型 40

2．5．2 例题：位错偶极子和循环形变 41

2．6 驻留滑移带非弹性行为的本构模型 42

2．6．1 一般特征 42

2．6．4 卸载和再加载 43

2．6．3 驻留滑移带与自由表面相交部位的硬化 43

2．6．2 驻留滑移带的硬化 43

2．6．5 空位的产生 44

2．7 驻留滑移带的形成 45

2．7．1 电子显微镜观察 45

2．7．2 静态或能量模型 45

2．7．3 自组织位错结构的动态模型 48

2．8 迷宫结构和胞结构的形成 49

2．8．1 例题：多滑移 50

2．9 晶体取向和多滑移的影响 51

2．10 案例研究：工业用面心立方合金晶体 53

2．11 面心立方晶体中单向形变与循环形变的比较 56

2．12．1 体心立方晶体在疲劳过程中的形状变化 57

2．12 体心立方单晶体的循环形变 57

2．13 六方密堆单晶体的循环形变 59

2．13．1 钛单晶体的基本特征 59

2．13．2 钛单晶体的循环形变 59

习题 60

第3章 延性多晶固体的循环形变 61

3．1 晶界和多滑移效应 61

3．1．1 面心立方金属单晶体与多晶体的比较 62

3．1．2 织构效应 63

3．2 面心立方双晶体的循环形变 63

3．2．1 例题：独立滑移系的数目 64

3．3 多晶体的循环硬化和软化 65

3．4 合金化、交滑移和层错能的影响 67

3．5 沉淀效应 69

3．6 Bauschinger效应 69

3．6．1 术语 70

3．6．2 机制 70

3．7 适应现象 72

3．8 单轴疲劳和多轴疲劳的连续介质模型 72

3．8．1 并联亚单元模型 74

3．8．2 加工硬化模量场 76

3．8．3 循环塑性的双表面模型 78

3．8．4 其它方法 80

3．9 循环蠕变或棘齿效应 81

3．10．1 热弹性形变 82

3．10 金属基复合材料的热循环 82

3．10．2 热疲劳的特征温度 83

3．10．3 热循环过程中的塑性应变累积 85

3．10．4 基体应变硬化的影响 86

3．10．5 例题：金属基复合材料热疲劳的临界温度 87

3．11 层状复合材料的热循环 88

3．11．1 双层材料的热弹性形变 89

3．11．2 薄膜极限：Stoney公式 91

3．11．3 热疲劳的特征温度 91

习题 93

4．1．1 早期的观察和观点 95

第4章 延性固体的疲劳裂纹萌生 95

4．1 表面粗糙度和疲劳裂纹萌生 95

4．1．2 电子显微镜观察 97

4．2 空位偶极子模型 99

4．3 裂纹沿驻留滑移带的萌生 102

4．4 表面在裂纹萌生中的作用 103

4．5 裂纹萌生的计算模型 103

4．5．1 空位扩散 103

4．5．2 数字模拟 104

4．5．3 例题：空位效应 104

4．6 环境对裂纹萌生的影响 106

4．8 裂纹沿晶界和孪晶界的萌生 107

4．7 循环滑移的运动学不可逆性 107

4．9 工业合金中的裂纹萌生 110

4．9．1 夹杂和气孔近旁的裂纹萌生 110

4．9．2 微观力学模型 112

4．10 环境对工业合金疲劳裂纹萌生的影响 112

4．11 应力集中部位的裂纹萌生 113

4．11．1 远场循环压缩中的裂纹萌生 114

习题 117

第5章 脆性固体的循环形变和裂纹萌生 119

5．1 脆性的分级 119

5．2 脆性固体的循环形变模式 120

5．3．1 机制 121

5．3 高脆性固体 121

5．3．2 本构模型 122

5．3．3 循环载荷作用的可能影响 126

5．3．4 高温行为 127

5．4 半脆性固体 129

5．4．1 位错塞积引起的裂纹形核 129

5．4．2 例题：形成不可滑位错的Cottrell机制 129

5．4．3 循环形变 131

5．5 相变增韧陶瓷 133

5．5．1 现象学 133

5．5．2 本构模型 135

5．6 远场循环压缩中的疲劳裂纹萌生 137

5．6．1 例题：远场循环压缩中的裂纹萌生 140

习题 141

第6章 非晶固体的循环形变和裂纹萌生 143

6．1 半晶固体和非晶固体的形变特征 143

6．1．1 形变的基本特点 143

6．1．2 银纹化和剪切带的形成 143

6．1．3 晶体材料与非晶体材料循环形变的比较 145

6．2 循环应力-应变响应 146

6．2．1 循环软化 146

6．2．2 热效应 147

6．2．3 例题：滞后加热 148

6．2．4 温升的实验观察 149

6．2．5 破坏模式的影响 150

6．3 应力集中部位的疲劳裂纹萌生 151

6．4 案例研究：膝盖整体替代件的压缩疲劳 153

习题 155

第2篇 疲劳设计的总寿命法 157

第7章 应力-寿命法 157

7．1 疲劳极限 158

7．2 平均应力对疲劳寿命的影响 160

7．3 累积损伤 162

7．4 表面处理的影响 163

7．5 统计分析 165

7．6 案例研究：飞机涡轮发动机的高周疲劳 167

7．5．1 例题：表面处理的影响 167

7．7 聚合物的应力-寿命响应 169

7．7．1 一般描述 169

7．7．2 机制 170

7．8 有机复合材料的疲劳 170

7．8．1 非连续增强复合材料 170

7．8．2 连续纤维增强复合材料 171

7．9 应力集中效应 172

7．9．1 对称循环载荷作用 172

7．9．2 缺口和平均应力的综合影响 173

7．9．3 不扩展的拉伸疲劳裂纹 173

7．9．4 例题：缺口效应 174

7．10 多轴循环应力 175

7．10．1 比例和非比例载荷作用 175

7．10．2 多轴疲劳载荷的有效应力 176

7．10．3 拉伸与扭转共同作用的应力-寿命法 177

7．10．4 临界平面法 178

习题 181

第8章 应变-寿命法 182

8．1 基于应变的总寿命法 182

8．1．1 低周疲劳寿命与高周疲劳寿命的区分 182

8．1．2 过渡寿命 183

8．1．3 例题：金属基复合材料的热疲劳寿命 184

8．2．1 Neuber分析 186

8．2 缺口件的局部应变法 186

8．3 变幅循环应变和循环计数 188

8．3．1 例题：循环计数 188

8．4 多轴疲劳 190

8．4．1 有效应变的量度 190

8．4．2 案例研究：临界破坏平面 191

8．4．3 多轴疲劳的不同开裂模式 193

8．4．4 例题：多轴加载破坏的临界平面 194

8．5 非同相加载 197

习题 198

第9章 断裂力学原理及其在描述疲劳中的应用 199

9．1 Griffith断裂理论 199

第3篇 疲劳设计的损伤容限法 199

9．2 能量释放率和裂纹扩展驱动力 200

9．3 线弹性断裂力学 202

9．3．1 断裂的宏观模式 202

9．3．2 平面问题 203

9．3．3 K控制的条件 208

9．3．4 断裂韧性 209

9．3．5 疲劳裂纹扩展的描述 209

9．4 C和K的等效性 210

9．4．1 例题：双悬臂梁试样的C和K 210

9．4．2 例题：鼓包试验中的应力强度因子 212

9．5 单向加载的塑性区尺寸 213

9．5．1 Irwin近似 213

9．5．2 Dugdale模型 214

9．6 循环加载的塑性区尺寸 215

9．5．3 Barenblatt模型 215

9．7 弹-塑性断裂力学 217

9．7．1 J积分 217

9．7．2 Hutchinson-Rice-Rosengren(HRR)奇异场 218

9．7．3 裂纹顶端张开位移 218

9．7．4 J控制条件 219

9．7．5 例题：试样尺寸的要求 220

9．7．6 疲劳裂纹扩展的描述 221

9．8 裂纹顶端场的双参数描述 223

9．8．1 小范围屈服 224

9．9 复合型断裂力学 225

9．8．2 大范围屈服 225

9．10 延性固体的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂 226

9．11 裂纹偏折 228

9．11．1 分叉弹性裂纹 229

9．11．2 裂纹偏折引起的多轴断裂 230

9．12 案例研究：飞机机身的损伤容限设计 231

习题 232

第10章 延性固体的疲劳裂纹扩展 234

10．1 裂纹扩展的描述 234

10．1．1 断裂力学方法 234

10．1．2 疲劳寿命计算 236

10．2．2 第Ⅱ阶段疲劳裂纹扩展 237

10．2 疲劳裂纹扩展的微观阶段 237

10．2．1 第Ⅰ阶段疲劳裂纹扩展 237

10．2．3 疲劳辉纹的形成模型 238

10．2．4 环境对第Ⅱ阶段疲劳的影响 240

10．3 疲劳裂纹扩展的不同区段 241

10．4 疲劳裂纹的近门槛扩展 243

10．4．1 疲劳门槛的模型 244

10．4．2 微观组织结构尺寸的影响 245

10．4．3 滑移特征的影响 246

10．4．4 例题：裂纹长度问题 249

10．4．5 疲劳门槛值的测定 250

10．5 裂纹扩展的中间区 251

10．6 高扩展速率区 253

10．7 案例研究：飞机构件的疲劳失效 254

10．8 案例研究：髋股骨整体部件的疲劳失效 258

10．9 Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展 262

10．9．1 复合型疲劳断裂图 262

10．9．2 复合型裂纹路径 263

10．9．3 综合性评述 264

10．10 Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展 265

10．10．1 裂纹扩展特性 266

10．10．2 真实扩展阻力的估计 268

习题 269

11．1 循环加载对裂纹扩展的某些一般性影响 272

第11章 脆性固体的疲劳裂纹扩展 272

11．2 脆性固体裂纹扩展的描述 273

11．2．1 静载荷下的裂纹扩展 273

11．2．2 循环载荷下的裂纹扩展 274

11．3 脆性固体的裂纹扩展阻力和增韧 275

11．3．1 例题：断裂阻力与裂纹扩展稳定性 276

11．4 拉伸疲劳裂纹前缘的循环损伤区 278

11．5 低温下的疲劳裂纹扩展 279

11．6 案例研究：人工心脏瓣膜的疲劳开裂 281

11．7 高温下的疲劳裂纹扩展 284

11．7．1 形变的微观机制和晶界/界面玻璃薄膜引起的损伤 284

11．7．2 高温下裂纹扩展特征 286

11．7．3 粘性膜和桥连带的作用 287

习题 288

第12章 非晶固体的疲劳裂纹扩展 290

12．1 疲劳裂纹扩展特性 290

12．2 疲劳裂纹扩展机制 292

12．2．1 疲劳辉纹 292

12．2．2 非连续扩展带 294

12．2．3 银纹化与剪切流变的综合效应 297

12．2．4 剪切带 297

12．2．5 某些普遍性的观察结果 298

12．2．6 例题：环氧树脂粘合剂的疲劳裂纹扩展 300

12．3 金属玻璃的疲劳 302

12．4 案例研究：橡胶增韧环氧树脂的疲劳断裂 303

习题 306

第4篇 某些新问题 308

第13章 接触疲劳：滑动、滚动和微动 308

13．1 基本术语和定义 308

13．2 法向载荷作用下静态接触力学 311

13．2．1 平面上的弹性压痕 311

13．2．2 塑性形变 313

13．2．3 卸载过程中的残余应力 313

13．3 滑动接触疲劳力学 315

13．3．1 平面上的球体滑动 315

13．3．2 平面上柱体的部分滑动和全滑动 316

13．3．4 切向力的循环变化 317

13．3．3 平面上球体的部分滑动 317

13．4 滚动接触疲劳 319

13．4．1 滚动接触疲劳中的滞后能耗散 320

13．4．2 滚动和滑动接触疲劳的适应极限 320

13．5 接触疲劳损伤机制 323

13．5．1 微观损伤类型 323

13．5．2 案例研究：齿轮的接触疲劳开裂 324

13．6 微动疲劳 328

13．6．1 定义和出现条件 328

13．6．2 微动疲劳损伤 329

13．6．3 缓解微动疲劳的方法 330

13．6．4 例题：微动疲劳的断裂力学分析 332

13．7 案例研究：涡轮发电机转子的微动疲劳 335

13．7．1 设计细节和几何条件 335

13．7．2 服役载荷和损伤的出现 338

习题 341

第14章 疲劳裂纹扩展的阻滞和瞬态过程 343

14．1 疲劳裂纹闭合 343

14．2 塑性诱发的裂纹闭合 345

14．2．1 机制 345

14．2．2 解析模型 348

14．2．3 数值模型 350

14．2．4 载荷比对疲劳门槛值的影响 351

14．3 氧化物诱发的裂纹闭合 352

14．3．1 机制 353

14．3．2 环境效应的本质 353

14．4 裂纹面粗糙诱发的裂纹闭合 355

14．4．1 机制 356

14．4．2 疲劳门槛的显微组织效应的实质 356

14．5 粘滞性流体诱发的裂纹闭合 357

14．5．1 机制 357

14．6 相变诱发的裂纹闭合 358

14．7 疲劳裂纹闭合的基本特征 359

14．8 裂纹闭合的定量化处理问题 360

14．9 疲劳裂纹的偏折 360

14．9．1 线弹性分析 361

14．9．2 实验观察 363

14．9．3 例题：裂纹偏折的可能好处 364

14．10 其它阻滞机制 366

14．10．1 复合材料中的裂纹桥连和拦截 366

14．10．2 先进金属体系?的裂纹阻滞 368

14．11 案例研究：变幅谱载荷 369

14．12 拉伸超载的阻滞效应 370

14．12．1 塑性诱发的裂纹闭合 370

14．12．2 裂纹顶端钝化 372

14．12．3 残余压应力 372

14．12．4 裂纹的偏折或分叉 372

14．12．5 近门槛的机制 373

14．13 压缩超载的瞬态效应 374

14．13．1 缺口材料的压缩超载 375

14．14 载荷顺序的影响 377

14．14．1 块拉伸载荷顺序 377

14．14．2 拉-压载荷顺序 379

14．15 寿命预测模型 380

14．15．1 屈服区模型 380

14．15．2 裂纹闭合的数值模型 381

14．15．3 工程方法 381

14．15．4 特征方法 382

习题 382

第15章 疲劳小裂纹 385

15．1 小裂纹的定义 386

15．2 相似性 387

15．3 显微组织对小裂纹扩展的影响 387

15．4 小裂纹的门槛条件 388

15．4．1 过渡裂纹尺寸 388

15．4．2 循环塑性区的临界尺寸 389

15．4．3 滑移带模型 390

15．5 缺口根部小裂纹的断裂力学 392

15．5．1 裂纹萌生的门槛 393

15．5．2 例题：缺口根部小裂纹的扩展 394

15．6．1 疲劳小裂纹的双参数描述 395

15．6 小裂纹扩展的连续介质力学方法 395

15．6．2 近顶端塑性 396

15．6．3 缺口根部塑性 396

15．7 疲劳裂纹的物理微小性效应 398

15．7．1 力学效应 398

15．7．2 环境效应 399

15．8 “小裂纹问题”的起源 400

15．9 案例研究：表面涂层中的疲劳小裂纹 401

15．9．1 裂纹垂直趋近界面的理论基础 402

15．9．2 表面涂层疲劳的应用 402

习题 405

16．1．1 含氢气体 406

16．1 腐蚀疲劳的机制 406

第16章 环境对疲劳行为的影响：腐蚀疲劳和蠕变疲劳 406

16．1．2 水介质 407

16．1．3 金属脆 409

16．2 腐蚀疲劳裂纹的萌生 409

16．2．1 气体环境 409

16．2．2 水环境 410

16．3 腐蚀疲劳裂纹的扩展 411

16．3．1 腐蚀疲劳裂纹扩展类型 412

16．3．2 脆性辉纹的形成 414

16．3．3 力学因素的影响 415

16．3．4 腐蚀疲劳模型 416

16．4 案例研究：汽车排气阀的疲劳设计 418

16．5 低温疲劳 419

16．6 高温下的疲劳损伤和裂纹萌生 420

16．6．1 损伤的微观机制 420

16．6．2 寿命预测方法 423

16．7 高温疲劳裂纹的扩展 425

16．7．1 断裂力学描述 426

16．7．2 蠕变疲劳裂纹扩展的描述 428

16．7．3 小结和某些普遍观察结果 429

16．8 案例研究：汽轮发电机的蠕变疲劳 430

习题 432

附录 一些常用的裂纹几何条件的应力强度因子 434

参考文献 438