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吴起县焊工培训班文章内容：

疲劳是机械结构最普遍的失效模式之一。自 1854 年第一次提出“fatigue”(疲劳)的概念以来，相关研究已有 160 余年的历史，人们已在疲劳试验技术发展、理论模型构建、分析计算方法开发等方面积累了大量的知识，提出了诸多理论与方法，逐步形成了以疲劳研究为基础的机械结构强度理论与技术，推动机械结构从经验设计走向安全设计，为工业装备和重大基础设施的安全与可靠性保障奠定了重要的科学基础。

结构设计技术随疲劳基础研究的演化

大数据时代的疲劳强度学研究思路

1998～2020 年疲劳领域中国与美国研究热点的变化

焊接是重要的结构连接形式，焊接结构的应用领域多、工艺类型复杂，焊接结构失效被认为是 70%以上装备事故的源头。近年来，核电、航空航天等领域核心装备的先进制造成为国家的重大需求，新材料和新工艺相继投入使用，焊接结构的疲劳失效成为装备设计、制造与服役过程中不可忽略的问题，是机械强度领域重要而活跃的研究方向之一。

动力机器的失效事故

(a)1974 年美国田纳西电厂爆炸汽轮机转子的裂纹；(b)1998 年德国 Eschede 火车脱轨；(c)2018 年美国西南航空公司引擎爆炸事故

静态破坏与循环载荷失效的差异

焊接结构的不均匀性是引起疲劳损伤与断裂的源头，表现为宏观上的材料不连续和微观上的组织不连续，如何调控固有的不连续性对疲劳损伤与断裂的影响既是机械结构强度研究面临的挑战，又是需要突破的重要科学问题。将均匀材料疲劳损伤机理和断裂过程的研究成果拓展应用于焊接结构，破除焊接结构设计领域的均匀性假设或连续性近似，建立焊接结构断裂防控的理论与方法，是一条可探索的创新路线。它依赖于对焊接结构的疲劳损伤进行精准的试验表征，并对其断裂过程进行精确的理论建模与分析。

焊接接头的材料不连续、组织不均匀和性能不匹配特性

1870 年，德国工程师 Whler 提出了应力-寿命(S-N)曲线和疲劳极限概念，人们开始关注疲劳强度及寿命，直至 20 世纪前半叶损伤累积准则、应变-寿命关系的提出，均为结构设计提供了重要理论基础。20 世纪早期，Ewing 和 Humphrey报道了微裂纹形成过程中的表面滑移形貌，且随着电子显微技术和损伤测量技术的日益进步，疲劳损伤表征的手段、精度与分辨率得到显著改善，为损伤过程的原位观测与多尺度描述提供了重要技术手段。20 世纪 60 年代后，断裂力学的发展促成了 Paris 规律的建立，裂纹闭合概念被提出，推动了短裂纹扩展的研究，为描述疲劳断裂过程提供了较系统的理论与方法。

然而，人们对焊接结构疲劳损伤与断裂行为的认识，在微观机理层面未考虑局部不均匀组织的影响，在宏观设计层面未考虑应力不连续、应变局部化、焊接缺陷及长周期服役的影响，高精度损伤表征、复杂条件的断裂描述、超长寿命预测等仍是研究的难点。

近十余年来，作者在国家自然科学基金青年科学基金项目(51205131)、面上项目(51575182)、优秀青年科学基金项目(51922041)、杰出青年科学基金项目(51325504)、重点项目(51835003)及国家高技术发展计划项目(2006AA04Z413、2009AA044803)等国家及企业课题的支持下，面向核电、航空航天等领域装备的新型焊接工艺开发需求，围绕焊接结构疲劳损伤与断裂行为，开展了从基础到应用、从测试到表征、从机理到建模、从分析到预测等方面的系统研究。尤其是结合百万千瓦级核电汽轮机转子、航空发动机高压涡轮与压气机部件等重大工程与装备的焊接制造，以典型材料焊接接头为对象，在宏微观性能测试与表征的基础上，提出了接头微区损伤、近门槛值区裂纹扩展、高周与超高周疲劳破坏等理论与方法，为焊接结构的抗疲劳设计与制造提供了重要的科学支撑。

内容简介

本书系作者在焊接结构疲劳强度领域长期研究成果的凝结，主要研究成果已在国内外相关期刊发表，部分成果申请了发明专利。研究方法和相关理论成果具有通用性，可推广应用于其他焊接工艺，尤其是对航空航天、火力发电、新一代核电等领域的设备强度分析与设计、焊接工艺开发及结构完整性评价具有重要参考价值。

目录速览

前言

第1章 疲劳研究的回顾与展望 1
1.1 疲劳研究的缘起与演化 1
1.1.1 古老文明的涵养 1
1.1.2 蒸汽动力催生结构失效 1
1.1.3 结构失效驱动疲劳的研究 3
1.1.4 疲劳研究支撑机械强度学科 5
1.2 文献综合分析 6
1.2.1 论文发表情况 6
1.2.2 重要影响工作分析 8
1.2.3 关键研究领域分析 12
1.2.4 国内主要研究单位分析 15
1.2.5 中美比较分析 17
1.2.6 疲劳研究领域科学基金资助分析 18
1.2.7 从热点看趋势 20
1.3 主要研究进展 20
1.3.1 里程碑式的工作 20
1.3.2 基于应变-寿命曲线的欧洲疲劳设计理论体系 21
1.3.3 基于应变-寿命曲线的美国疲劳设计理论体系 22
1.3.4 我国结构疲劳研究的主要进展 22
1.3.5 疲劳裂纹扩展机制及理论描述 23
1.3.6 蠕变-疲劳交互效应 24
1.3.7 腐蚀疲劳模型 24
1.3.8 超高周疲劳行为 25
1.3.9 疲劳试验技术 26
1.3.10 疲劳分析计算技术 27
1.4 疲劳研究的挑战与机遇 28
1.4.1 疲劳研究领域的待解难题 28
1.4.2 大数据时代的疲劳强度学 32
1.5 总结与展望 32
参考文献 33
本章主要符号说明 43
第2章 焊接结构疲劳失效研究进展 44
2.1 焊接结构的特点 44
2.2 高端装备焊接新工艺 45
2.2.1 深窄间隙埋弧焊技术 45
2.2.2 电子束焊接技术 46
2.2.3 搅拌摩擦焊接技术 47
2.3 焊接结构疲劳研究新进展 48
2.3.1 被引次数较多的30篇论文 48
2.3.2 焊接新工艺推动疲劳问题研究 50
2.3.3 焊接结构疲劳评定方法 50
2.3.4 焊接接头的疲劳损伤监测技术 52
2.3.5 焊接接头的疲劳强化方法 52
2.3.6 残余应力与热影响区的影响 52
2.4 超长寿命服役引起的新问题 53
2.5 焊接结构疲劳研究的难点 54
参考文献 56
本章主要符号说明 60
第3章 焊接接头的损伤不均匀性表征 61
3.1 接头组织与宏观性能的不均匀性 61
3.1.1 接头冶金与微观组织 61
3.1.2 接头拉伸与冲击试验研究 64
3.2 基于微试样拉伸的局部力学行为 68
3.3 基于有限元分析的焊接接头应变分布 69
3.4 基于数字图像相关法的不均匀损伤表征 70
3.4.1 熔合线附近的应变不均匀性 70
3.4.2 多层多道焊缝内部的应变不均匀性 76
3.5 基于微观组织和硬度数据的焊接接头强度预测 78
3.5.1 显微硬度与纳米硬度的关系 78
3.5.2 硬度与微观组织的关系 80
3.5.3 焊接接头强度分布预测方法 82
3.5.4 强度预测方法的进一步拓展 85
参考文献 86
本章主要符号说明 88
第4章 焊接接头微区疲劳短裂纹扩展行为 89
4.1 接头热影响区内部疲劳短裂纹扩展行为 90
4.1.1 接头微区组织表征与原位疲劳裂纹扩展试验 90
4.1.2 疲劳短裂纹扩展速率与路径的关系 93
4.1.3 微观组织与强度梯度对微区疲劳短裂纹扩展的影响 96
4.2 物理短裂纹的闭合行为及扩展驱动力模型 100
4.2.1 短裂纹闭合力的测量 100
4.2.2 短裂纹闭合的预测模型 106
4.2.3 疲劳短裂纹扩展驱动力模型 107
4.3 疲劳短裂纹扩展过程裂尖应变场表征 110
4.3.1 裂纹扩展过程全场应变测量 110
4.3.2 裂纹偏折过程裂尖应变测量 113
4.3.3 裂纹闭合过程裂尖应变测量 114
4.3.4 裂尖应变与尾迹COD值的定量表征 116
4.4 疲劳裂纹扩展过程微观组织损伤表征 118
4.4.1 电子通道衬度成像分析 118
4.4.2 电子背散射衍射分析 119
参考文献 120
本章主要符号说明 124
第5章 焊接接头的疲劳裂纹扩展门槛值 125
5.1 疲劳门槛值的确定方法 125
5.1.1 基于试验方法直接测定疲劳门槛值 126
5.1.2 确定疲劳门槛值的其他方法 127
5.2 疲劳门槛值试验技术新进展 128
5.3 焊接接头疲劳门槛值的分布 128
5.4 转折点与疲劳门槛值的关系 130
5.5 应力比与疲劳门槛值的关系 132
5.6 试样形状对疲劳门槛值的影响 133
5.6.1 疲劳门槛值的拘束贡献 133
5.6.2 宏观拘束与微观扩展路径的关系 134
5.6.3 试样拘束与裂纹闭合效应的关系 135
参考文献 141
本章主要符号说明 144
第6章 近门槛值区疲劳裂纹扩展的微观机制 145
6.1 微观组织的影响机制 145
6.1.1 不同微观组织的疲劳抗力 145
6.1.2 断口形貌与裂纹扩展路径 147
6.1.3 基于裂纹闭合的微观机制 150
6.2 近门槛值区断裂模式的转变机理 151
6.2.1 断口表面沿晶断裂的分布 152
6.2.2 面型断裂的形成机制 155
6.2.3 面型断裂引起的新型闭合模式 156
6.2.4 固有疲劳门槛值模型 157
6.3 近门槛值区疲劳裂纹扩展曲线转折点 158
6.3.1 转折点处断口形貌的变化 158
6.3.2 转折点处表面粗糙度的变化规律 162
6.3.3 微观组织对疲劳裂纹扩展曲线转折行为的影响 164
6.3.4 应力比对疲劳裂纹扩展曲线转折行为的影响 166
6.3.5 疲劳裂纹扩展曲线转折点的预测模型 166
6.4 超长周期服役对材料疲劳门槛值的影响 168
6.4.1 焊接接头微观组织变化 168
6.4.2 疲劳裂纹扩展行为 173
6.4.3 有效特征组织尺寸 175
参考文献 177
本章主要符号说明 181
第7章 疲劳裂纹扩展应力比效应的统一理论模型 182
7.1 基于裂纹闭合的裂纹扩展模型 182
7.2 基于等效驱动力的裂纹扩展模型 183
7.3 统一理论模型的建立 185
7.3.1 Zhu-Xuan模型 185
7.3.2 Kwofie-Zhu模型 187
7.4 统一理论模型的适用性验证 190
7.4.1 Zhu-Xuan模型的预测效果 190
7.4.2 Zhu-Xuan模型对CrMoV同类型钢的预测效果 191
7.4.3 Zhu-Xuan模型与Kwofie-Zhu模型的比较 194
7.5 时间相关的疲劳门槛值预测方法 196
7.5.1 时效老化前后的疲劳门槛值预测 196
7.5.2 表征时效影响的参量 197
7.5.3 焊缝时效后疲劳门槛值的预测 198
7.6 统一理论模型的科学本质 199
参考文献 200
本章主要符号说明 202
第8章 焊接接头高周疲劳试验研究 203
8.1 焊接接头高周疲劳的关键问题 203
8.1.1 疲劳试样形式的选择 203
8.1.2 温度相关的动态应变时效行为 206
8.1.3 结构弱区与内部缺陷的竞争行为 208
8.1.4 微缺陷的影响机制 212
8.2 焊接接头高周疲劳的应变速率效应 214
8.2.1 加载频率的相关性 214
8.2.2 频率效应对疲劳寿命的影响 220
8.2.3 应变速率效应的科学本质 221
8.3 低强钢超高周疲劳循环硬化行为 222
8.3.1 表面形态的变化 222
8.3.2 循环硬化行为的表征方法 223
8.3.3 循环硬化的微观机制 224
参考文献 225
本章主要符号说明 228
第9章 同种钢焊接接头的超高周疲劳强度 229
9.1 CrNiMoV钢焊接接头的不均匀微观组织 229
9.2 焊接接头疲劳强度的温度相关性 231
9.2.1 疲劳S-N曲线形状的变化 231
9.2.2 疲劳裂纹萌生模式的差异 232
9.2.3 疲劳试样的显微硬度与微观结构 234
9.2.4 疲劳起裂与断裂位置的转移 235
9.2.5 高温下材料弹性响应的影响 238
9.3 尺寸与频率的耦合效应 238
9.3.1 疲劳试验S-N曲线 238
9.3.2 疲劳裂纹萌生模式 240
9.3.3 疲劳断裂位置的转移 242
9.3.4 缺陷统计分析方法 242
9.3.5 疲劳强度的理论模型 244
9.4 表面残余应力的影响 246
9.5 焊接接头的氢脆敏感性 247
9.5.1 充氢对疲劳寿命的影响 247
9.5.2 疲劳裂纹萌生模式的变化 248
9.5.3 充氢对内部破坏过程的影响 249
9.6 焊接接头疲劳强度削弱系数 250
9.7 焊接接头疲劳强度评价方法 252
9.7.1 典型疲劳设计准则 252
9.7.2 焊接结构超长寿命疲劳设计 254
参考文献 255
本章主要符号说明 257
第10章 异种钢焊接接头超高周疲劳强度 258
10.1 异种钢焊接工艺及接头微观组织 258
10.1.1 微观组织的不均匀性 258
10.1.2 显微硬度分布 259
10.2 异种钢焊接接头的拉伸与疲劳行为 261
10.2.1 试样形式与试验方法 261
10.2.2 接头的拉伸断裂 262
10.2.3 接头的S-N曲线 263
10.3 异种钢焊接接头的宏微观疲劳破坏机制 264
10.3.1 宏观断裂位置的转变 264
10.3.2 疲劳裂纹萌生机制 267
10.4 异种钢焊接接头抗疲劳设计与分析 270
10.4.1 疲劳强度削弱系数 270
10.4.2 接头的抗疲劳设计 271
参考文献 274
第11章 长寿命服役焊接结构的断裂防控 275
11.1 基于结构弱区的传统设计方法 275
11.2 基于断裂力学的焊接缺陷安全评定方法 276
11.2.1 焊接缺陷的安全评定 276
11.2.2 焊接工艺优化案例 278
11.3 基于微缺陷致裂的寿命设计方法 279
11.3.1 Murakami模型 279
11.3.2 考虑缺陷致裂过程的寿命模型 279
11.3.3 寿命控制Z参量模型 280
11.3.4 Z参量模型的验证 281
11.4 基于设计/制造一体化的抗疲劳理念 282
参考文献 284
本章主要符号说明 286

本期编辑：王芳

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(整理：吴起县焊工培训学校)