疲劳裂纹扩展：检测—评估—预防

本书主要论述疲劳裂纹扩展过程。因此，本文首先根据现有的材料经典力学强度计算方法对构件和结构的尺寸进行了描述。然后通过描述裂纹扩展引起的各种损伤情况及损伤分析和无损检测理论，提出了I型、II型、III型及混合型断裂机制及疲劳裂纹扩展的基本规律。随后描述了断裂力学的材料参数如断裂韧性、疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展曲线的实验确定方法。

本书主要论述疲劳裂纹扩展过程。首先根据现有的材料经典力学强度计算方法对构件和结构的尺寸进行了描述。然后通过描述裂纹扩展引起的各种损伤情况及损伤分析和无损检测理论, 提出了Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅱ型及混合型断裂机制及疲劳裂纹扩展的基本规律。随后描述了断裂力学的材料参数如断裂韧性、疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展曲线的实验确定方法。书中列举了大量的工程实例。

许天旱，男，1971年8月生，陕西礼泉人，教授，博士，硕士生导师，曾担任材料科学与工程学院材料学系主任，材料物理党支部书记，兼任中国腐蚀与防护学会（CSCP）会员，中国金属学会（CSM）会员，兼任CERAM. INT. 等国际SCI期刊审稿人。2005年西安理工大学获得材料学硕士学位，2012年西安交通大学获得材料学博士学位，2015年9月国家公派在美国俄亥俄州立大学（OSU）做访问学者，为期1年。2005年4月于西安石油大学材料科学与工程学院参加教学工作至今，主讲课程有《材料物理学》、《基础材料与新材料》、《无损检测技术》、《材料理化分析》等。主要研究方向为金属材料性能表征，材料的腐蚀与防护及材料计算。先后主持完成和参与各类重大科研项目10余项，在研科研项目5项，主持教改项目多项，指导本科生参加“挑战杯”科技竞赛，先后获得陕西省一等奖，全国三等奖。1篇学术论文获“第四届中国科协期刊优秀学术论文”奖。获得陕西省高等学校科技奖励二等奖2次。以第一发明人申请并获得授权发明专利及实用新型专利20余项。以第一作者在国内外知名学术期刊及核心期刊《Materials characterization》、《Materials Science and Engineering: A》、《Materials Science Forum》、《稀有金属材料科学与工程》、《材料热处理学报》、《材料工程》等上发表论文50余篇，SCI、EI和ISTP收录论文10余篇，主编“普通高等教育‘十三五’规划教材”1部，著有专著1部，参编“普通高等教育‘十二五’规划教材”1部，《材料物理学》精品课程负责人。

第1章 根据强度标准设计构件和结构
1.1 构件和结构的负荷
1.2 构件和结构中的应力和应力状态
1.2.1 平面应力状态
1.2.2 空间应力状态
1.2.3 主应力
1.2.4 平面应力状态或平面应变状态
1.3 静态强度的校核
1.3.1 等效应力
1.3.2 许用应力
1.3.3 强度校核-操作步骤
1.3.4 考虑缺口效应
1.3.5 应力集中系数
1.3.6 材料参数和安全系数
1.4 疲劳强度的校核
1.4.1 有效应力和许用应力
1.4.2 材料参数
1.4.3 表面和尺寸系数
1.4.4 缺口构件的疲劳强度校核
1.5 结构耐久性校核
1.6 其它校核
1.7 经典构件设计的限制
第2章 裂纹扩展引起的损伤
2.1 裂纹萌生和裂纹扩展
2.2 稳定和不稳定的裂纹扩展
2.3 损伤分析/断裂表面分析
2.4 ICE车轮轮胎的疲劳裂纹扩展
2.5 压力机架的裂纹扩展
2.6 内部高压金属成型机紧固件的疲劳裂纹扩展
2.7 老式汽车驱动轴的断裂
2.8 其他损伤事件
2.9 构件和结构中的基本裂纹路径和裂纹形状
2.9.1 基本应力状态的裂纹路径
2.9.2 轴上的裂纹路径和裂纹形状
2.9.3 构件和结构中系统化的裂纹类型
2.10 使用无损检测方法探测裂纹
第3章 断裂力学基础
3.1 裂纹和裂纹模式
3.1.1 模式I
3.1.2 模式II
3.1.3 模式III
3.1.4 混合模式
3.2 裂纹处的应力分布
3.2.1 用弹性理论解决裂纹问题
3.2.2 平面裂纹问题的应力分布
3.3 裂纹附近的位移场
3.4 应力强度因子
3.4.1 裂纹模式I，II和III的应力强度因子
3.4.2 基本裂纹问题的应力强度因子
3.4.3 应力强度因子的叠加，等效应力强度因子
3.4.3.1 应力强度因子的叠加
3.4.3.2 平面混合模式载荷下的等效应力强度因子
3.4.3.3 空间混合模态加载的等效应力强度因子
3.5 裂尖局部的塑性
3.5.1 估算塑性区域
3.5.2 裂纹长度修正
3.5.3 塑性区在疲劳裂纹扩展中的意义
3.6 能量释放率和J-积分
3.6.1 能量释放率
3.6.2 J-积分
3.7 确定应力强度因子和其它断裂力学量
3.7.1 根据裂纹附近的应力场确定应力强度因子
3.7.2 根据裂纹附近的位移场确定应力强度因子
3.7.3 用J-积分确定断裂力学量
3.7.4 用裂纹闭合积分确定断裂力学量
3.8 预测不稳定裂纹扩展的概念
3.8.1 模式I的K概念
3.8.2 模式II，模式III和混合模式载荷的K概念
3.8.3 能量释放率准则
3.8.4 J-准则
3.9 断裂韧性
3.10 使用断裂力学方法评估带裂纹的构件
3.10.1 断裂-力学校核操作步骤
3.10.2 对模式I裂纹问题应用断裂准则和断裂力学分析
3.10.3 将断裂准则和断裂力学分析应用于模式II，模式III和混合模式问题
3.11 结合强度计算和断裂力学
第4章 恒幅循环载荷下的疲劳裂纹扩展
4.1 构件载荷与循环应力强度的关系
4.1.1 I型加载模式下的时变应力场
4.1.2 模式I的循环应力强度因子
4.1.3 R比率
4.1.4 裂纹扩展过程
4.1.5 II型加载模式、III型加载模式和混合加载模式下的时变应力场
4.1.6 模式II的循环应力强度因子
4.1.7 模式Ⅲ的循环应力强度因子
4.1.8 二维混合模式下加载
4.1.9 三维混合模式加载
4.2 裂纹扩展速率与循环应力强度因子的关系
4.2.1 模式I的疲劳裂纹扩展极限
4.2.2 影响裂纹扩展曲线的因素
4.2.3 疲劳裂纹扩展过程中的裂纹闭合行为
4.2.4 门槛值和门槛值行为
4.2.4.1 基于裂纹闭合的门槛值行为
4.3 模式I的裂纹扩展概念
4.3.1 Paris法则
4.3.2 Erdogan/Ratwani法则
4.3.3 Forman/Mettu方程
4.3.4 裂纹扩展方程的比较
4.3.5 确定剩余寿命
4.4 在模式Ⅱ，模式Ⅲ和混合模式载荷下的裂纹扩展
4.4.1 初始裂纹在模式II载荷下的裂纹扩展
4.4.2 初始裂纹在模式III载荷下的裂纹扩展
4.4.3 二维混合模式载荷下的裂纹扩展
4.4.4 三维混合模式载荷下的裂纹扩展
4.5 评估疲劳裂纹扩展的程序
4.5.1 疲劳裂纹扩展的断裂力学评估
4.5.2 确定疲劳裂纹扩展可能的裂纹长度
4.5.3 安全预防疲劳裂纹扩展的发生
4.5.4 疲劳裂纹扩展区域
4.5.5 确定检查间隔
4.6 疲劳强度计算和断裂力学的结合
第5章 试验确定材料断裂力学参数
5.1 临界应力强度因子和断裂韧度
5.1.1 根据ASTM E 399标准确定断裂韧度
5.1.1.1 试样和取样
5.1.1.2 最小试样尺寸
5.1.1.3 初始引发缺口和初始疲劳裂纹
5.1.2 确定断裂韧度的试验方法
5.1.3 KIC或KQ？-对测试的评估
5.2 门槛值和裂纹扩展曲线
5.2.1 根据标准ASTM E 647确定门槛值