疲劳与断裂
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第163页（3294字）
疲劳是交变载荷作用下构件失效的主要形式。
工程构件断裂事故的大部分属于疲劳断裂。它涉及力学、材料科学、测试技术和工程设计等多种学科和多项现代技术领域。探索疲劳断裂的机理、研究提高疲劳寿命的途径、发展合理的疲劳强度设计方法一直是工程界，特别是航空航天、船舶、车辆、动力机械、冶金机械、矿山机械、桥梁等工程界致力推进的重大课题。
疲劳问题的提出和初步探索，始于19世纪40年代钢铁材料大量生产和应用的时期。
1839年，J．V．Poncelet首先使用“疲劳”这个词描写交变载荷下金属构件的破坏。1850年前后，A．Wōhler率先进行了系统的疲劳试验，得到炭钢的S(应力幅)－N(寿命)曲线，并提出疲劳极限的概念。1884年，J．Bauschinger在炭钢光滑试样的疲劳试验中发现循环软化现象，后来将超屈服后反向加载中屈服点下降的现象称之为“Bauschinger效应”。1874年W．Gerber提出疲劳极限图，1930年J．Goodman提出简化的疲劳设计曲线，这种在平均应力－应力幅平面上表示设计安全区的方法，一直沿用到现在。1924年，由H．J．Gough撰写的有关疲劳的第1部专着在伦敦出版。
通常把寿命不大于105次的疲劳问题称为低周疲劳。低周疲劳问题中，应力水平较高，必须取应变为控制变量和设计参数。70年代，S．S．Manson和L．F．Coffin用电液伺服试验机，对20余种钢进行了系统的控制应变疲劳试验，得到应变幅(S)一寿命(N)的曲线。
他们独立地得到具有极大工程应用价值的近似公式，即“Manson-Coffin公式”。同一时期的另一重大进展是由H．Neuber提出的，R．M．Wetzel等发展和完善的局部应力应变法。Manson-Coffin公式、局部应力应变法和通过先进试验技术得到的循环应力应变曲线结合，可以成功地解决光滑构件在等幅交变载荷下的低周疲劳问题。
一般把随机载荷作用的疲劳称为随机疲劳，它有着与幅值和均值不变的交变载荷疲劳问题不同的特有规律。首先，需要面临试验技术和数值分析两方面的问题。70年代以来发展的计算机控制的电液伺服疲劳试验机以及有关随机振动分析的仪器和软件，推进了这两方面的有效进展。
此外，在设计分析方面要处理疲劳统计和疲劳损伤累积模型这两个环节。1945年，M．A．Miner提出了疲劳损伤累积的线性理论。按这个理论，随机加载的疲劳损伤相当于相同幅均分布的程序加载对应的损伤。60年代，S．M．Marco、A．M．Freudenthal等发展了非线性的损伤累积理论。70年代M．Matsuish和T．Endo提出了疲劳统计的雨流法。这种统计反映了疲劳损伤累积的次序，体现了疲劳破坏的渐近过程。
疲劳寿命由两部分组成：形成宏观裂纹消耗的部分和宏观裂纹扩展到断裂消耗的部分。后者往往占有不可忽视的地位。研究交变载荷下裂纹扩展直到断裂的规律，充分利用破损构件的潜在能力是一个于国民经济全局有极大经济利益的课题，这个课题又属断裂力学的范围。1920年，A．A．Griffith提出裂纹失稳扩展的能量平衡准则。
1957年，G．R．Irwin提出了应力强度因子的概念，建立了脆性断裂的应力强度因子准则，证明了与Griffith准则的等价性，从此形成了线性断裂力学的框架。接着P．C．Paris提出了用应力强度因子幅描写的疲劳裂纹扩展的幂指数律。
K．Wolker和R．G．Forman对Paris公式的低速区高速区分别给出与实验结果吻合较好的修正。于是在线性断裂力学体系下，就形成了处理裂纹体疲劳寿命问题一套完整的测试技术、分析模型和设计方法。
把疲劳问题涉及的材料参数和设计参数作为随机变量比作为定常数值更符合实际现象。因此，概率论和数理统计与疲劳强度研究的结合势在必行。这个结合可以称为概率疲劳断裂。后来又与可靠性设计方法结合，形成疲劳可靠性设计。
1972年，A．M．Freudenthal首先在结构分析中引入可靠性设计的术语“首次失效平均工作时间”(MTFF)。对于概率疲劳断裂和疲劳可靠性设计，除了依据前已阐述的有关成果外，最关键还从工业与技术管理提供的统计资料中建立概率模型。1961年W．Weibull提出的概率模型是疲劳问题中最受推崇的概率模型。
此外，正态分布和对数正态分布也是常用的模型。
70年代开始，一些特殊条件下的疲劳问题得到重视并取得研究进展。研究成果主要是材料疲劳特性的测试。
P．G．Forrest、J．W．Spretnak和J．Polak得到了低温钢光滑试样的疲劳特性。A．J．Nachtigall甚至测到4K下10余种材料的低周疲劳特性。S．Ya。Yyarema和O．P．Ostash测得两种钢从113～293K温度下裂纹扩展速率与应力强度因子幅的完整曲线。
F．H．Vitovec与B．J．Lazan得到蠕变对高温疲劳的相互影响，J．T．Berling与T．Slot得到频率和温度对高温低周疲劳特性影响的定量描写。L．F．Coffin用实验证明高温疲劳中氧化作用对试验结果有至关紧要的影响。
L．F．Coffin还试验研究了交变温度变化下产生热疲劳。
腐蚀疲劳指介质(环境)与交变载荷联合作用产生的疲劳问题。研究成果除了特定材料对特定介质的疲劳特性测试之外，还集中在机理与防护方面。如T．W．Crooker对带裂纹的高强钢HY一130在海水下的Paris公式系数给出的测试结果和氢脆机理的研究。
在交变载荷下，存在两个或两个以上应力分量的疲劳称为复杂应力状态的疲劳。对于设计分析，通常按强度理论，把复杂应力状态对应的相当应力代入简单应力状态的疲劳公式进行处理。
接触疲劳是指接触表层在接触载荷的反复作用下发生的破坏现象。这是复杂应力状态的疲劳，同时又受复杂环境和工况的强烈影响。
有关这一问题的损伤累积原理是A．W．Crook和G．M．Hamilton提出的。
当前实验技术和计算机技术的进步已经能够对工程中疲劳问题给出令人满意的解决办法。但这一问题的研究仍然是十分艰巨的。当前研究热点有：(1)探索疲劳性能测试和预报的简捷方法；(2)研究大型复杂结构和构件疲劳寿命分析的数值技术和软件；(3)对于光滑试样和裂纹试样，同时计入弹性、塑性和粘性的疲劳强度研究；(4)复杂应力状态，特别是非比例交变载荷下的疲劳与断裂；(5)用细观模型和唯像方法结合，研究疲劳机理，这种结合涉及细观力学、损伤力学和本构理论等近代力学分支；(6)复合材料的疲劳断裂；(7)生物材料在交变载荷下的力学行为研究。
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(重庆大学张培源教授撰)