金属疲劳损伤的研究现状
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综 上所述，从 人 们 认 识 和 开 始 研 究 疲 劳 问 题 ，已 有 1 5 0 多年
的 历 史 。而 研 究 疲 劳 的 最 终 目 的 ，是 为 了 延 长 结 构 或 构 件 的 使 用
寿 命 ，优化其材料性能。要 计 算 疲 劳 寿 命 ,需 有 一 个 损 伤 演 化 方 程 作 为 理 论 依 据 。结 合 相 关 的 疲 劳 损 伤 理 论 ，并 将 影 响 疲 劳 寿 命
失效联系起来的却是法国的J .- V .彭 赛 列 ，他在著作中首先论述
了疲劳问题并提出了“疲 劳 ”这 个 名 词 [5]。疲劳研究的奠基人则
是 德 国 的 A•沃勒，他 在 1 9 世 纪 5 0 年 代 ~ 6 0 年代最早得到表征
1 8 8 4 疲 劳 性 能 的 应 力 一 寿 命 曲 线 [ 6 ] 。
的 主 要 因 素 考 虑 进 来 ，这 便 是 疲 劳 损 伤 本 构 方 程 的 由 来 。
2 金属疲劳损伤本构方程
研 究 金 属 材 料 的 疲 劳 损 伤 ，最 重 要 的 是 确 定 材 料 的 本 构 关
的验证时，提 出 了 应 力 一 应 变 滞 后 回 线 的 概 念 ，但未得到 相 应 的 系 。金属材料的本构关系，与 应 变 s 、应 变 速 率 £ 、温 度 r 等因素
Finite element analysis of hybrid fiber reinforced self-compacting concrete beam flexural properties^
第43卷 第 14期 •106 • 2 0 1 7 年 5 月
S山HANX西I AR建CHITE筑CTURE
VMoaly..43
No. 14
2017
文章编号：1009-6825 (2017) 14-0106-03
金属疲劳损伤的研究现状+
肖 敏 杨 杰 李玉果
( 中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖 南 长 沙 410004)
中图分类号:TU511
文献标识码:A
〇 引言
相 较 于 其 他 材 料 ，金 属 常 给 人 一 种 坚 硬 无 比 的 感 觉 。但 实 际 上 ，在各种外力的反复作用下，金 属也会产生疲劳，且一旦疲劳便 会因不能及时恢复而造成十分严重的后果。 自第二次世界大战 以来，因金属疲劳失效而造成的工程事故，已 是 数 不 胜 数 。据统
摘 要 :介 绍 了 金 属 疲 劳 损 伤 的 研 究 历 程 ，概述了金属疲劳中几种典型的本构方程的特点及其应用现状，并分析了影响本构方程
的 因 素 ，指 出 如 何 修 正 受 诸 多 影 响 下 的 本 构 方 程 ,是 研 究 金 属 疲 劳 损 伤 的 难 点 之 一 。
关键词:金属疲劳，本 构方程，应 变速率，温度
1 金属疲劳损伤发展简史
国 外 很 早 就 开 始 了 金 属 疲 劳 损 伤 方 面 的 研 究 ，有 记 载 的 最 早
进行疲劳试验的是德国的W. A .艾 伯 特 ，1829年他对用铁制作的
矿 山 升 降 机 链 条 进 行 了 反 复 加 载 实 验 [4]。但 真 正 将 疲 劳 同 金 属
年包辛格在进行疲劳试验
部 组 织 结 构 的 变 化 ，这 一 时 期 也 涌 现 了 大 量 的 研 究 成 果 。
1903年 ，欧文和汉弗莱的研究从结晶组织层面，指出疲劳变形也
与单调变形相关，皆 由 滑 移 所 产 生 [8]。在 他 的 发 现 上 ，许多学者
进 行 了 后 续 工 作 ，并 将 之 拓 展 到 了 疲 劳 研 究 上 。1 9 2 0 年 格 里 菲 斯
发 表 了 他 用 玻 璃 研 究 脆 断 的 理 论 计 算 和 实 验 结 果 ，从 中 他 得 出 了
两 者 间 的 关 系 式 ，因 而 被 称 为 “断 裂 力 学 之 父 ”[9]。
而关于疲劳理论方面的研究，可 追 溯 到 1 9 世 纪 2 0 年 代 ，英国
的 高 夫 在 1924年 出 版 了 第 一 本系统研究疲劳的专著一 《金属
1 9 3 7 疲 劳 》[1(1]。
年 ，为 了 研 究 缺 口 的 疲 劳 效 应 ，德国的诺伯提出
了“体素”和应力梯度的概念[11]。1945年 ，美国人迈因纳从以往
的疲劳累积损伤研究出发[12]，结 合 帕 尔 姆 格 伦 1924年提出的线
性 累 积 损 伤 理 论 [13]，提 出 了 帕 尔 姆 格 伦 一 迈 因 纳 线 性 累 积 损 伤 法 则,此法沿用至今。尽 管 该 理 论 存 在 许 多 缺 点 ，却 仍 是 进 行 疲 劳 预 测 的 重 要 方 法 之 一 [1446]。
计 ，现代工业中零件的损坏，有 近 80% 都是由于金属疲劳所引起
的[1]。其 原 因 是金属内部结构并不均匀，在 应 力 的 集 中 作 用 下 ， 往往会产生裂纹。裂 纹 继 续 扩 展 后 ，进 一 步 降 低 了 材 料 性 能 ，从 而导致了工程失效问题。由于金属材料在国防和民用工业中的 广 泛 应用，对其结构的安全和可靠性的研究已引起国内外力学工 作者的普遍重视[2,3]。为 此 金 属 材 料 的 疲 劳 损 伤 方 面 的 研 究 ，已 逐渐成为力学领域中研究的热点，在 化 工 、轻 纺 、建 筑 、机械等行 业 以 及 日 用 品 工 业 中 ，愈 来 愈 显 示 出 广 阔 的 应 用 前 景 。
重视 。直 到 1952年 ，邱杨在做铜棒实验时引用了包辛格的观点， 有关。在金属材料的本构方程中，要 加 人 应 力 ^ 与 等 因 素
并将之命名为包辛格效应，包辛格才因此成为第一个研究循环应 对以往的疲劳经验公式进行修正。修 正 后 的 本 构 方 程 建 立 在 本
力 与 应 变 关 系 的 人 [7]。
构 关 系 的 基 础 上 ，既 有 理 论 方 面 的 依 据 ，且 更 适 合 实 际 的 工 程
2 0 世 纪 初 ，随 着 宏 观 一 细 观 的 力 学 理 论 及 其 实 验 方 法 的 发 应 用 。
展 ，人们开始使用金相显微镜来研究疲劳机制。通过观测金属内
早 在 2 0 世 纪 初 ，人们就对金属材料加工过程中普通存在的硬
的 历 史 。而 研 究 疲 劳 的 最 终 目 的 ，是 为 了 延 长 结 构 或 构 件 的 使 用
寿 命 ，优化其材料性能。要 计 算 疲 劳 寿 命 ,需 有 一 个 损 伤 演 化 方 程 作 为 理 论 依 据 。结 合 相 关 的 疲 劳 损 伤 理 论 ，并 将 影 响 疲 劳 寿 命
失效联系起来的却是法国的J .- V .彭 赛 列 ，他在著作中首先论述
了疲劳问题并提出了“疲 劳 ”这 个 名 词 [5]。疲劳研究的奠基人则
是 德 国 的 A•沃勒，他 在 1 9 世 纪 5 0 年 代 ~ 6 0 年代最早得到表征
1 8 8 4 疲 劳 性 能 的 应 力 一 寿 命 曲 线 [ 6 ] 。
的 主 要 因 素 考 虑 进 来 ，这 便 是 疲 劳 损 伤 本 构 方 程 的 由 来 。
2 金属疲劳损伤本构方程
研 究 金 属 材 料 的 疲 劳 损 伤 ，最 重 要 的 是 确 定 材 料 的 本 构 关
的验证时，提 出 了 应 力 一 应 变 滞 后 回 线 的 概 念 ，但未得到 相 应 的 系 。金属材料的本构关系，与 应 变 s 、应 变 速 率 £ 、温 度 r 等因素
Finite element analysis of hybrid fiber reinforced self-compacting concrete beam flexural properties^
第43卷 第 14期 •106 • 2 0 1 7 年 5 月
S山HANX西I AR建CHITE筑CTURE
VMoaly..43
No. 14
2017
文章编号：1009-6825 (2017) 14-0106-03
金属疲劳损伤的研究现状+
肖 敏 杨 杰 李玉果
( 中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖 南 长 沙 410004)
中图分类号:TU511
文献标识码:A
〇 引言
相 较 于 其 他 材 料 ，金 属 常 给 人 一 种 坚 硬 无 比 的 感 觉 。但 实 际 上 ，在各种外力的反复作用下，金 属也会产生疲劳，且一旦疲劳便 会因不能及时恢复而造成十分严重的后果。 自第二次世界大战 以来，因金属疲劳失效而造成的工程事故，已 是 数 不 胜 数 。据统
摘 要 :介 绍 了 金 属 疲 劳 损 伤 的 研 究 历 程 ，概述了金属疲劳中几种典型的本构方程的特点及其应用现状，并分析了影响本构方程
的 因 素 ，指 出 如 何 修 正 受 诸 多 影 响 下 的 本 构 方 程 ,是 研 究 金 属 疲 劳 损 伤 的 难 点 之 一 。
关键词:金属疲劳，本 构方程，应 变速率，温度
1 金属疲劳损伤发展简史
国 外 很 早 就 开 始 了 金 属 疲 劳 损 伤 方 面 的 研 究 ，有 记 载 的 最 早
进行疲劳试验的是德国的W. A .艾 伯 特 ，1829年他对用铁制作的
矿 山 升 降 机 链 条 进 行 了 反 复 加 载 实 验 [4]。但 真 正 将 疲 劳 同 金 属
年包辛格在进行疲劳试验
部 组 织 结 构 的 变 化 ，这 一 时 期 也 涌 现 了 大 量 的 研 究 成 果 。
1903年 ，欧文和汉弗莱的研究从结晶组织层面，指出疲劳变形也
与单调变形相关，皆 由 滑 移 所 产 生 [8]。在 他 的 发 现 上 ，许多学者
进 行 了 后 续 工 作 ，并 将 之 拓 展 到 了 疲 劳 研 究 上 。1 9 2 0 年 格 里 菲 斯
发 表 了 他 用 玻 璃 研 究 脆 断 的 理 论 计 算 和 实 验 结 果 ，从 中 他 得 出 了
两 者 间 的 关 系 式 ，因 而 被 称 为 “断 裂 力 学 之 父 ”[9]。
而关于疲劳理论方面的研究，可 追 溯 到 1 9 世 纪 2 0 年 代 ，英国
的 高 夫 在 1924年 出 版 了 第 一 本系统研究疲劳的专著一 《金属
1 9 3 7 疲 劳 》[1(1]。
年 ，为 了 研 究 缺 口 的 疲 劳 效 应 ，德国的诺伯提出
了“体素”和应力梯度的概念[11]。1945年 ，美国人迈因纳从以往
的疲劳累积损伤研究出发[12]，结 合 帕 尔 姆 格 伦 1924年提出的线
性 累 积 损 伤 理 论 [13]，提 出 了 帕 尔 姆 格 伦 一 迈 因 纳 线 性 累 积 损 伤 法 则,此法沿用至今。尽 管 该 理 论 存 在 许 多 缺 点 ，却 仍 是 进 行 疲 劳 预 测 的 重 要 方 法 之 一 [1446]。
计 ，现代工业中零件的损坏，有 近 80% 都是由于金属疲劳所引起
的[1]。其 原 因 是金属内部结构并不均匀，在 应 力 的 集 中 作 用 下 ， 往往会产生裂纹。裂 纹 继 续 扩 展 后 ，进 一 步 降 低 了 材 料 性 能 ，从 而导致了工程失效问题。由于金属材料在国防和民用工业中的 广 泛 应用，对其结构的安全和可靠性的研究已引起国内外力学工 作者的普遍重视[2,3]。为 此 金 属 材 料 的 疲 劳 损 伤 方 面 的 研 究 ，已 逐渐成为力学领域中研究的热点，在 化 工 、轻 纺 、建 筑 、机械等行 业 以 及 日 用 品 工 业 中 ，愈 来 愈 显 示 出 广 阔 的 应 用 前 景 。
重视 。直 到 1952年 ，邱杨在做铜棒实验时引用了包辛格的观点， 有关。在金属材料的本构方程中，要 加 人 应 力 ^ 与 等 因 素
并将之命名为包辛格效应，包辛格才因此成为第一个研究循环应 对以往的疲劳经验公式进行修正。修 正 后 的 本 构 方 程 建 立 在 本
力 与 应 变 关 系 的 人 [7]。
构 关 系 的 基 础 上 ，既 有 理 论 方 面 的 依 据 ，且 更 适 合 实 际 的 工 程
2 0 世 纪 初 ，随 着 宏 观 一 细 观 的 力 学 理 论 及 其 实 验 方 法 的 发 应 用 。
展 ，人们开始使用金相显微镜来研究疲劳机制。通过观测金属内
早 在 2 0 世 纪 初 ，人们就对金属材料加工过程中普通存在的硬