第1章 绪 论
1.1 引 言
在工程应用中，结构件所受的应力总是低于材料的屈服强度σs（σ0.2）。通常，
在低于屈服强度的应力作用下，材料既不会发生塑性变形，更不会发生断裂。但
是，在应力的重复作用下，即使所受的应力低于屈服强度，材料也有可能发生断裂。
这种现象，称为材料的疲劳。引起疲劳断裂的应力常低于材料的屈服强度，在这种
情况下，疲劳断裂前不发生明显的塑性变形。所以，疲劳断裂通常属于低应力脆性
断裂。
自 19世纪德国工程师W?hler为解决火车轴的断裂问题，在控制载荷的条件
下测定第一条疲劳寿命曲线（SGN 曲线）以来，对材料和结构件疲劳的研究已有
160多年的历史。但迄今仍不断有因结构件疲劳断裂而造成的重大以至灾难性事
故。因此，对材料和结构件疲劳的研究，仍被世界各国科技和工程界所关注。每年
有数以千计的有关疲劳的论文发表，有关疲劳的专著仍陆续出版问世，每年都有关
于疲劳的国际学术会议，包括美国空军和海军研究院所赞助的国际疲劳学术会议
召开。所有这些都说明，结构件的疲劳失效问题，仍是科技界和工程界需要努力加
以解决的问题。
材料的失效（failure），包括疲劳失效仍是造成重大经济损失的一个主要原因。
1983年美国商务部和国家标准局完成的研究报告表明[1]，每年由于材料失效而造
成的经济损失，按1982年美元值计算，达到1190亿美元，约占当年美国国内生产
总值（GDP）的4%。而飞机和发动机结构件的失效所造成的经济损失约占总的经
济损失的5%。在上述报告中，失效的形式包括结构零部件的过量变形、分层、开
裂以至完全断裂，但不包括腐蚀和磨损；其中零部件的断裂会造成灾难性的后果，
必须尽力防止。在其他工业发达国家，由于材料失效而造成的经济损失约占国内
生产总值的4%[2]。这表明，材料的失效耗费了大量的资源和人力。
研究认为[1]：①更好地应用现有技术可以消除约1/3由于材料失效而造成的
经济损失；②在较长的时间内，通过研究与发展，也就是获取新知识并提出利用新
知识的途径，可以消除第二个1/3；③若无重大技术突破，最后一个1/3则很难消
除。统计分析表明[3，4]，飞机和发动机结构件的失效大部分是由疲劳和腐蚀疲劳造
成的。而材料的缺陷、加工质量差和结构设计不良又是引起结构件疲劳失效的主
要因素[3，4]。因此，研究材料的抗疲劳失效准则（实际上是创立新的疲劳力学模型）
以及结构件在变幅载荷下新的寿命预测模型和延寿技术，有重大的现实意义。
1.2 疲劳研究的目的
机械和工程结构的设计，首先应当达到设计所要求的功能，即在规定的服役期
（即设计寿命）内能安全、可靠地运行。同时，也要考虑结构的生产和运行具有经济
性，即具有较长的服役寿命、低的设计与制造费用，以及较长的维修周期和低的维
修费用。大型机器的制造和工程结构的建设耗资巨大。所以，这些机器和工程结
构应当有很长的服役寿命。例如，大型铁道桥梁的设计寿命为100～120年，民航
飞机的设计寿命为10余万飞行小时，折算成日历年约为20余年。若机器和结构
的服役寿命短，则会造成人力和资源的巨大浪费。
为保证机械和工程结构能安全可靠地运行，必须防止其零部件，尤其是重要零
部件的疲劳失效。对材料疲劳失效的研究是材料科学研究的重要组成部分。在结
构设计中，要进行疲劳寿命预测和结构的疲劳可靠性评估。研究疲劳失效的目的
是防止材料和结构零部件的疲劳失效。因此，在工程应用中，疲劳研究的目的，或
者说，疲劳研究所要解决的主要问题有三[5，6]：
（1）精确地预测结构的疲劳寿命，简称定寿。所谓疲劳寿命，是指材料和结构
在外力的长期、重复作用下或在外力和环境因素的复合作用下，抵抗疲劳损伤和失
效的能力，使结构的零部件在服役期限内安全、有效地运行。结构的寿命，实际上
是结构的安全服役期限，或者说，结构在其服役期内不会发生疲劳断裂。精确地预
测结构的疲劳寿命，是为了保障结构在服役期内的安全，避免巨大的财产以至生命
的损失，避免对社会造成心理冲击。
（2）改善结构件的细节设计，优选材料和优化结构件的制造工艺，以延长材料
和结构的疲劳寿命，简称延寿，为研制新的抗疲劳的材料提供理论指导。一座大型
工程结构的建造，例如飞机、桥梁、船舶、电站等，要耗费大量的资源和费用，使用过
程中还需要检测和维修。延寿的目的，既要延长结构的总寿命，也要延长结构的检
修周期，以节约资源，降低建造和维修费用。延寿的技术和管理措施包括改进结构
细节设计、提高材料的冶金质量、改善制造工艺以及采取相关的技术管理措施等。
有关延寿的技术和管理措施，将在后续章节中做较详细的讨论。
（3）简化疲劳试验或缩短疲劳试验周期。众所周知，疲劳试验要耗费大量的人
力、物力和财力；尤其是结构件以至全尺寸的结构在服役载荷下的疲劳试验，试验
周期很长、耗费更加巨大。因此，疲劳研究的第三个重要的作用，是建立合理的结
构的疲劳试验载荷谱，略去不造成材料疲劳损伤的小载荷，以简化结构件以至全尺
寸的结构的疲劳试验、缩短疲劳试验周期，以节约人力、物力和财力。
实际上，在结构设计的初始阶段，就要根据结构的细节设计、服役载荷和环境，
选用合适的材料和制造工艺（包括表面处理），并且考虑到经济而有效的延寿技术，
进而预测结构的疲劳寿命，必要时还要进行验证性的疲劳试验[7]。
1.3 疲劳研究的内容和方法
1.3.1 疲劳研究的内容
疲劳研究包含基础研究和应用研究两大部分。疲劳的基础研究是为工程应用
服务的，而应用研究是要很好地解决前述的三大问题。
疲劳理论研究包括两个主要方面：即疲劳损伤的微观机理与疲劳的宏观力学
模型。疲劳损伤的微观机理的研究成果，可以解释疲劳的宏观现象和某些宏观规
律，也为建立疲劳的宏观力学模型和研制新的抗疲劳的材料提供物理依据。对疲
劳损伤的微观机理的研究表明，材料的疲劳损伤可粗略地分成两个主要的阶段，即
疲劳裂纹起始与疲劳裂纹扩展。有关疲劳的微观机理的研究成果在文献[7]和[8]
中做了很好的总结。
预测结构件在服役载荷下的疲劳寿命，需要有好的疲劳寿命公式[6，9]。研究材
料疲劳的宏观力学模型，主要是建立疲劳损伤的力学模型，探求疲劳损伤的控制参
数，从而导出基本的疲劳公式，并进行验证。在工程实践中，结构件的疲劳寿命通
常分为疲劳裂纹起始寿命和疲劳裂纹扩展寿命分别进行预测，然后求和得到总寿
命[1，5G7，9G11]。因此，要建立变幅载荷下结构件的疲劳裂纹起始寿命和疲劳裂纹扩展
寿命的预测模型，首先要有好的预测疲劳裂纹起始寿命的相关的疲劳公式，包括应
力疲劳寿命公式、应变疲劳寿命公式，以及疲劳裂纹扩展速率公式等。
在服役条件下，结构所受的疲劳载荷称为载荷谱[7]。载荷谱需要给出载荷随
时间而变化的信息。结构的服役环境也是复杂的，如高、低温，腐蚀性的环境介质
和表面磨损引起的表面损伤等。这些因素都在不同程度上影响材料的疲劳损伤的
微观机理和材料的疲劳性能，因而在材料的疲劳研究中以及结构的寿命预测中必
须加以考虑。
1.3.2 疲劳的研究方法
如前所述，疲劳理论研究的内容主要是疲劳损伤各阶段的微观机理和宏观规
律两方面。人们采用直接的金相观察和间接的物理性能测定方法，对疲劳损伤各
阶段的微观机理进行了研究。Kocanda[8]用光学金相显微镜观察了纯铁在旋转弯
曲疲劳试验时，试件表面形貌的变化。Suresh[9]用电子显微镜观测了循环加载过
程中材料微观组织结构的变化，研究了疲劳损伤的微观机理。
研究工作者还可通过测定金属的物理性能在疲劳过程中的变化，探讨疲劳损
伤的规律性。例如，在循环加载过程中，测定金属材料电阻和温度的变化[12]。最
近，研究工作者还采用红外热像仪，测定试件表面温度的变化，探讨疲劳损伤的规
律性，确定材料的疲劳极限[13]。但在疲劳裂纹形成以前，如何定义疲劳损伤则十
分困难[14]。
研究工作者用电子显微镜对疲劳裂纹扩展微观机理做了大量的研究工作，取
得了重要的成果，在文献[7]、[9]、[12]、[15]～[18]中做了很好的总结。这些研究
成果为疲劳裂纹扩展的微观与宏观力学模型的建立提供了可靠的物理基础[19]。
材料疲劳性能表达式可通过下述途径求得：①总结试验数据，得出经验规律及
表达式[20G23]。在开展研究工作的初期，这也是行之有效的方法。②在现有的关于
疲劳的微观机理和力学的研究基础上，提出某种假设，进而导出相关的疲劳的公
式[19]。显然，这假设应是合乎逻辑的，并能满足一定的边界条件，并且，这样的疲
劳公式也需要进行试验验证。③随着疲劳研究工作的深入和相关学科的发展，有
条件地提出理论模型，进而导出定量的疲劳公式。
1.3.3 疲劳试件
在材料的力学性能，包括材料疲劳的研究中，采用三种不同几何特征的试件，
即光滑试件、切口试件和带裂纹的试件[1，5，7]。光滑试件主要用于测定材料的基本
疲劳性能，例如应力疲劳寿命曲线、应变疲劳寿命曲线和疲劳极限等，作为评定材
料疲劳性能和结构件寿命预测的重要依据[5，10，11，24]，也用于研究疲劳损伤微观
机理[7G9]。
在机械和工程结构零部件的加工过程中，会产生裂纹或裂纹式的缺陷。在结
构件的服役过程中，由于疲劳、蠕变、腐蚀等原因，也会在其中产生裂纹。在随后的
服役过程中，裂纹会不断长大，引起结构承载能力和刚度的降低以及共振频率的变
化。因此，结构件中的裂纹要力图避免或严格地加以限制[1]。但是，在结构件中、
尤其是高塑性材料的结构件中出现裂纹后，并不会立即引起断裂，而有一段稳态扩
展期，即疲劳裂纹扩展寿命；仅当裂纹扩展到临界尺寸时，断裂才会发生。因此，要
用带裂纹的试件测定材料的疲劳裂纹扩展速率与门槛值以及断裂韧性[1，5，7，9，12]。
应用线弹性断裂力学方法，利用材料的疲劳裂纹扩展速率表达式和断裂韧性KIC
之值，可估算含裂纹结构件的疲劳裂纹扩展寿命、断裂应力（或称剩余强度）和临界
裂纹尺寸。
由于结构细节设计的需要，结构件中总会含有几何不连续性，例如连接孔、凸
台、沟槽等。这些几何不连续性可看成是广义的切口。切口的存在引起结构件中
的应力和应变集中，改变切口根部的应力分布[23，25]，会影响材料的疲劳性能，包括
疲劳寿命和疲劳极限[23]。所以要采用切口试件模拟结构件，测定材料的疲劳裂纹
起始寿命和疲劳裂纹扩展寿命[26]，作为结构件寿命预测的依据[6]。特别是结构中
的关键承力结构件，不允许存在裂纹或对裂纹加以严格限制[1]。因此，精确地预测
结构件的疲劳裂纹起始寿命，对于确保结构的运行安全，具有重要的实际意义。疲
劳裂纹形成以后，切口件即转化为带裂纹件，疲劳损伤以裂纹扩展的形式发展。所
以，要用带裂纹的试件，测定在循环载荷作用下的疲劳裂纹扩展速率，给出疲劳裂
纹扩展速率表达式，可用于预测结构件的疲劳裂纹扩展寿命[1，5，6]。
据此，可以认为，含切口的结构件的整个疲劳失效过程可分为三个阶段：疲劳
裂纹在切口根部形成，已形成裂纹以一定的速度进行稳态扩展，裂纹扩展到临界尺
寸时发生失稳扩展而导致断裂。所以，含切口的结构件的疲劳寿命由疲劳裂纹起
始寿命和疲劳裂纹扩展寿命两部分组成。应用切口试件模拟结构件，研究其疲劳
失效过程与疲劳寿命，更接近工程实际情况。
1.3.4 疲劳试验载荷
在疲劳的基础研究中，疲劳试验常在等幅载荷下进行，即最大载荷、载荷幅度
不随时间而改变。这是引起材料疲劳损伤的最简单的、也是基本的循环加载形式。
循环加载的特征要用两个参数表示，即应力范围ΔS，即循环最大应力与循环最小
应力之差ΔS＝Smax-Smin，或应力幅Sa（＝ΔS/2），以及应力比R（＝Smin/Smax）或平
均应力Sm[＝（Smax-Smin）/2]。加于试件上的循环载荷保持恒定，也就是试件所
受的应力范围（ΔS）或应力幅（Sa）、应力比（R）或平均应力Sm 保持恒定。由应力疲
劳试验测定的疲劳寿命曲线称为应力疲劳寿命曲线，它通常可表示为Nf＝
f（ΔS），但最好能表示为Nf＝f（ΔS，R）或Nf＝f（ΔS，Sm）。在结构的服役载荷
下，应力范围、平均应力或应力比是随时间而变动的，因此，将疲劳寿命表示为：
Nf＝f（ΔS，R）或Nf＝f（ΔS，Sm），可以很方便地用于预测结构在变幅载荷下的疲
劳寿命[11]。
加载波形和频率也是循环加载的特征参量，它们对材料的高温疲劳和腐蚀疲
劳性能影响很大。在研究材料的高温疲劳和腐蚀疲劳性能时，加载波形和频率必
须加以考虑。
在建立材料等幅载荷下的疲劳的宏观力学模型，导出基本的疲劳公式时，可不
考虑材料的特性，从而使得疲劳公式具有普遍的适用性。在等幅载荷下的疲劳试
验有两种加载方式：即前述的恒应力幅加载和恒应变幅加载，前者可称为应力疲劳
试验，后者可称为应变疲劳试验。所谓恒应变幅加载，是加于试件上的应变范围
Δε 或应变幅εa 保持恒定，而最小应变与最大应变之比通常为-1。由应变疲劳试
验测定的疲劳寿命曲线可表示为Nf＝f（Δε），称为应变疲劳寿命曲线。材料的应
力疲劳寿命曲线和应变疲劳寿命曲线，都用于预测结构件在变幅载荷下的疲劳裂
纹起始寿命[10，11]。
但是，建立结构件在变幅载荷下的疲劳寿命及其概率分布的预测模型时，要综
合考虑所受的载荷及材料的变形与硬化特性，也要考虑试件与结构件的几何
特征[6]。
1.4 疲劳研究中应考虑的因素
研究疲劳失效的基本出发点，是要结合结构件的实际服役情况，不仅要考虑制
造结构件所用材料的特性、制造工艺（包括表面处理）、结构件的几何，也要考虑实
际结构的服役载荷与环境等[7]。也就是说，要将结构件自身的状态与其服役环境
结合起来加以考虑。
1.4.1 材料特性
按照材料在拉伸试验时的变形特征，可将材料分为塑性材料和脆性材料两大
类。塑性材料在拉伸断裂前发生弹性变形和塑性变形，而脆性材料在拉伸断裂前
仅发生弹性变形而无塑性变形。这两类材料具有不同的变形和断裂机理及特征，
因而疲劳损伤和疲劳寿命的控制参数将有所不同。
塑性材料按其形变硬化性质的差异又可分为两类：具有不连续应变硬化特性
的和连续应变硬化特性的材料。前者在拉伸曲线上出现屈服平台，而后者的拉伸
曲线上没有屈服平台[27]。处于退火、正火状态的中、低碳钢和高强度低合金钢等
属于具有不连续应变硬化特性的材料，而铝合金、钛合金、超高强度钢和不锈钢等
是具有连续应变硬化特性的材料。
脆性材料在拉伸断裂前仅发生弹性变形而不发生塑性变形，这是它们的共同
点。但脆性材料又可分为本征脆性材料和表观脆性材料。陶瓷和无机玻璃等为本
征脆性材料，在轴向压应力状态下发生脆性断裂，断口与拉应力垂直[28，29]。灰铸铁
可认为是表观脆性材料，它在压缩试验时发生剪切式断裂[1]，而且，灰铸铁的组织
结构也与脆性陶瓷材料有着本质的差别[29]。在扭转试验时，陶瓷和无机玻璃等本
征脆性材料是切口敏感的，而灰铸铁则是切口不敏感的[29]。
塑性材料和本征脆性材料的疲劳损伤机理和控制参数是不同的，因而其疲劳
行为也不相同。简言之，塑性材料的疲劳损伤机理和控制参数是循环塑性应变幅，
而本征脆性材料的疲劳损伤机理和控制参数可能是循环最大应力，而不是应力幅。
塑性材料制造的结构件，可进行安全寿命设计或损伤容限设计[9G11]，而本征脆
性材料制造的结构件，只能进行无限寿命设计[30]。塑性变形强化特性不同的塑性
材料，会有不同的超载效应，变幅载荷下结构件的寿命预测模型也有所不同[6]，在
复合应力状态下的疲劳失效准则也不同[31]。这在以后的章节中，要做详细的讨
论。作为表观脆性材料的灰铸铁，可看做含有裂纹式缺陷的材料，它的疲劳寿命将
取决于微裂纹的长大、连接，以及宏观疲劳裂纹的扩展。
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