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第1章 绪论 1

1.1 现代机械装备面临的超长寿命疲劳问题 1

1.1.1 疲劳理论的历史回顾 1

1.1.2 超长寿命疲劳新问题 2

1.1.3 超高周疲劳对装备设计的影响 6

1.2 疲劳问题分类 7

1.2.1 基于寿命的疲劳分类 8

1.2.2 基于尺度的疲劳分类 9

1.2.3 基于应用的疲劳分类 11

1.3 超高周疲劳研究的发展与现状 13

1.3.1 发展历程 13

1.3.2 国内外主要的研究团队 16

第2章 传统疲劳试验方法 22

2.1 旋转弯曲疲劳试验方法 22

2.1.1 旋转弯曲疲劳试验原理 22

2.1.2 多工位旋转弯曲疲劳试验系统 23

2.1.3 旋转弯曲疲劳试件设计与加工 24

2.2 电液伺服疲劳试验方法 25

2.2.1 电液伺服疲劳试验原理 25

2.2.2 谐振式高频疲劳试验系统 26

2.2.3 液压加载疲劳试件设计 28

2.3 电磁振动台疲劳试验方法 29

2.3.1 电磁振动台疲劳试验原理 29

2.3.2 电磁振动台疲劳试验系统 29

2.3.3 振动疲劳试件设计 31

第3章 超声疲劳试验方法 36

3.1 超声疲劳试验技术 36

3.1.1 超声疲劳试验原理 36

3.1.2 超声疲劳试验系统及其控制 37

3.1.3 试验中的测试技术 42

3.2 超声拉压试件设计 46

3.2.1 弹性体中的纵波和一维直杆试件分析 46

3.2.2 拉伸疲劳试件设计 48

3.2.3 实际使用试件参数分析 52

3.3 拉伸疲劳试件的参数优化 53

3.3.1 主要几何参数对设计特性指标的影响 53

3.3.2 试件的优化指标和优化设计 56

3.4 超声薄板试件设计 57

3.4.1 常规厚度板超高周疲劳试验 58

3.4.2 超薄板超高周疲劳试验 60

第4章 复杂应力环境状态的超声疲劳试验技术 62

4.1 变应力比超声疲劳试验方法 62

4.1.1 变应力比超声疲劳试验原理及系统设计 62

4.1.2 变应力比超声疲劳试件设计 64

4.2 三点弯曲超声疲劳试验方法 64

4.2.1 三点弯曲超声疲劳试验原理及系统设计 64

4.2.2 三点弯曲超声疲劳试件设计 65

4.3 振动弯曲超声疲劳试验方法 66

4.3.1 振动弯曲超声疲劳试验原理 66

4.3.2 振动弯曲超声疲劳试件设计 66

4.4 扭转超声疲劳试验方法 67

4.4.1 扭转超声疲劳试验原理及系统设计 67

4.4.2 扭转超声疲劳试件设计 69

4.5 微动疲劳超声试验方法 70

4.5.1 微动疲劳超声试验原理及系统设计 71

4.5.2 微动疲劳超声试验结果 71

4.6 高温环境试验方法 72

4.6.1 高温环境超声试验原理及系统设计 73

4.6.2 高温疲劳超声试验结果 73

第5章 S-N曲线和疲劳强度 74

5.1 材料的疲劳特性及其试验获取 74

5.1.1 材料疲劳特性的表征方法 74

5.1.2 S-N曲线的试验获取和数据处理 76

5.2 超高周疲劳的基本特征 78

5.2.1 S-N曲线的基本特征 78

5.2.2 平均应力对疲劳行为的影响 80

5.2.3 材料强度对超高周疲劳行为的影响 81

5.3 典型工程材料的S-N曲线 82

5.3.1 高强度钢 82

5.3.2 铝合金 85

5.3.3 钛合金 89

5.3.4 镍基合金 91

5.4 试验方法对超高周疲劳性能的影响 94

5.4.1 轴向拉压加载频率的影响 94

5.4.2 轴向拉压与旋转弯曲加载方式对比 97

5.4.3 轴向拉压与振动弯曲加载方式对比 98

5.4.4 轴向拉压与扭转疲劳加载方式对比 99

第6章 断口形貌特征和裂纹萌生机制 102

6.1 疲劳断口的典型形貌 103

6.1.1 表面裂纹源 103

6.1.2 内部裂纹源 104

6.2 内部夹杂裂纹源的断口细节和萌生机制 106

6.2.1 钢中夹杂物及其影响 107

6.2.2 夹杂物附近的裂纹特征 108

6.2.3 微观裂纹萌生特征区域的形成机制 110

6.3 内部无夹杂裂纹源的断口细节和萌生机制 114

6.3.1 双相钢无夹杂裂纹源的断口细节 114

6.3.2 钛合金无夹杂裂纹源的断口细节 116

第7章 疲劳裂纹扩展分析与寿命预测 120

7.1 基于断裂力学的夹杂源裂纹扩展分析 120

7.1.1 断裂力学的重要概念 120

7.1.2 针对缺陷的村上模型及其应用 123

7.1.3 超高周疲劳寿命预测 125

7.2 基于塑性应变的疲劳寿命预测方法 127

7.2.1 基于寿命控制的疲劳唯象描述方法 128

7.2.2 超高周疲劳的寿命预测方法 129

7.2.3 纯铜在超高周疲劳范围的循环滑移累积 130

7.3 基于位错堆积和断裂能量的寿命预测模型 133

7.3.1 位错堆积模型 133

7.3.2 断裂能量模型 135

7.3.3 热耗散模型 138

第8章 展望 144

8.1 宏微观跨尺度超高周疲劳研究 144

8.1.1 目前研究方法的局限性 144

8.1.2 宏微观断裂力学方法 145

8.1.3 跨尺度研究的基本路径 149

8.2 复合材料的超高周疲劳研究 150

8.2.1 复合材料已成为重要的工程材料 150

8.2.2 复合材料超高周疲劳的研究现状及特点 150

8.2.3 复合材料超高周疲劳的主要研究内容 151

8.3 贴近工程应用的超高周疲劳研究 153

8.3.1 弹簧的超高周疲劳试验 153

8.3.2 焊接接头的超高周疲劳试验 155

8.3.3 复杂载荷条件下超高周疲劳寿命预测 158

参考文献 161