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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K210

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