疲劳发展简史
本文摘要（由AI生成）：
文章主要介绍了疲劳破坏现象的发展历程、疲劳试验的研究、疲劳机制的研究、疲劳裂纹扩展的研究以及局部应力应变法的应用。疲劳破坏现象始于19世纪初叶，随着蒸汽机车和机动运载工具的发展，以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生。疲劳试验的研究从19世纪中叶开始，德国人Wahler A.进行了深入系统的试验研究，并首次使用金属试样进行了疲劳试验。疲劳机制的研究从20世纪初叶开始，人们开始使用光学显微镜来研究疲劳机制，发现了循环应力产生的滑移痕迹。疲劳裂纹扩展的研究从1957年开始，美国人Paris P. C.提出了指数幂定律公式，给疲劳研究提供了一个估算疲劳裂纹扩展寿命的新方法。局部应力应变法的应用从1950年开始，人们开始用局部应力应变研究疲劳寿命，并建立了用局部应力应变分析估算零构件随机疲劳寿命的一整套方法。
疲劳破坏现象的出现，始于19世纪初叶。产业革命以后，随着蒸汽机车和机动运载工具的发展，以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生。破坏往往发生在零构件的截面突变处，破坏处的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。破坏事故的原因一时使工程师们摸不着头脑，直至1529年德国人Albert W. A.(艾伯特)用矿山卷扬机焊接链条进行疲劳试验，破坏事故才被阐明。1839年，法国工程师Pnncelet J, V.(彭赛列)首先使用“疲劳”这一术语来描述材料在循环载荷作用下承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的现象。1843年苏格兰人Rankine W- J, M(兰金)发表了第一篇疲劳论文，论文中指出，机车车辆的破坏是由于运行过程中金属性能逐渐变坏所致。他分析了车轴轴肩处尖角的有害影响，指出了加大轴肩处的圆角半径可以提高其疲劳强度。1842年Hood(胡特)提出了结晶理论，认为金属在循环应力下的疲劳强度降低是振动引起的结晶化所致。1849年美国机械工程学会还举行了专门会议对此理论进行讨论。
对疲劳现象最先进行系统试验研究的学者是德国人Wahler A.(沃勒)，他从1547年至1889年在斯特拉斯堡皇家铁路工作期间，对金属的疲劳进行了深入系统的试验研究。1850年他设计出了第一台疲劳试验机(亦称wohler疲劳试验机)，用来进行机车车轴疲劳试验，并首次使用金属试样进行了疲劳试验。他在1871年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循环应力的关系，提出了S-N曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的主要因素，奠定了金属疲劳的基础。因此RVohler A，被公认是疲劳的奠基人。
1874年GerberW.(格伯)根据Wohler的数据，研究了平均应力对疲劳的影响，提出了表达极限应力幅}R和平均应力间关系的抛物线方程。1899年，英国人goodman,J对疲劳极限线图进行了简化，提出了著名的简化曲线Goodman图，此图至今仍在广泛应用。1884年Bauschinger J,(包辛格)在验证Wohler的疲劳试验时，发现了在循环载荷下弹性极限降低的“循环软化”现象，引入了应力一应变迟滞回线的概念。但他的工作当时并未引起人们重视，直到1952年柯杨在做铜棒试验时才把这一概念重新提出来，并命名为“包辛格效应”。因此，包辛格是首次研究应力循环的人。
20世纪初叶，开始使用光学显微镜来研究疲劳机制。1903年Ewing J. A.(尤因)和Hum-fery J. W(汉弗莱)在单晶铝和退火的瑞典铁上发现了循环应力产生的滑移痕迹。他们通过微观研究推翻了老的结晶理论，指出了疲劳变形是由于与单调变形相类似的滑移所产生。1910年Fiairstow(贝尔斯托)研究了循环载荷下应力一应变曲线的变化，测定了迟滞回线，建立了循环硬化和循环软化的概念，并且进行了程序疲劳试验。
1920年Griffith A. A.(格里菲思)发表了他用玻璃研究脆断的理论计算结果和实验结果。他发现，玻璃的强度取决于微裂纹尺寸，1926年Gough H. J.(高夫)在伦敦出版了一本巨著《金属疲劳》，并在金属疲劳方面发表过80多篇论文。研究了弯曲与扭转同时作用下的复合疲劳，在疲劳机理方面做出了很大贡献。1929年美国人Peterson R。E.(彼得逊)对尺寸效应进行了一系列试验，并提出了应力集中系数的理论值。T929--1930年英国人黑格发表了高强度钢与低碳钢有不同缺口敏感性的论文，使用缺口应变分析和内应力的概念，对高强度钢和软钢的不同缺口效应作了合理解释。1930年前后，在汽车工业中使用了喷丸技术，解决了车轴和弹簧经常发生疲劳破坏的间题。美国人 Alman J. (阿尔曼)正确解释了喷丸提高疲劳强度的机理，提出主要是由于在表面层内建立了压缩残余应力。1936年美国人Harger D. J.(霍格)和Maullbetseh T. L(莫尔贝奇)指出，表面辊压能防止疲劳裂纹的形成。1937年德国人Neuber H.(诺伯)在缺口疲劳强度间题中引入了“体素”和“应力梯度”的概念，指出了决定缺口疲劳强度的是缺口根部表面层小体积内的平均应力，面非缺口根部的峰值应力。第二次世界大战期间，在飞机发动机和装甲车的设计中，已利用残余压应力来提高疲劳强度。
前苏联人GepeHCeH C. E,(谢联先)在40年代推导出了常规疲劳的设计计算公式。根据S-N曲线的水平段(即疲劳极限)进行的设计称为无限寿命设计;根据S-IV曲线的斜线段进行的设计称为有限寿命设计。为了解决变幅应力下的有限寿命设计问题，1945年美国人Miner.M.A.(迈纳)在对疲劳累积损伤问题进行大量试验研究的基础上，将帕姆格伦在1924年估算滚动轴承寿命时提出的线性累积损伤理论公式化，形成了Palmgren-Min-er线性累积损伤法则〔简称Miner法则)，此法则至今仍在广泛使用。
50年代以后，疲劳试验研究工作得到了更为迅速的发展。在低周疲劳方面，1954年美国航空和航天管理局(NASA)刘易斯研究所的(曼森)和〔科芬)在大量疲劳试验的基础上，提出了表达塑性应变范围与疲劳寿命间关系的Manson-Coffin方程，奠定了低周疲劳的基础。
在疲劳试验方面，50年代研制出了闭环控制的电液伺服疲劳试验机。60年代随着大规模集成电路的出现，制造出了能够模拟零件或构件服役载荷工况的随机疲劳试验机。到70年代，国外已广泛使用由电子计算机控制的电液伺眼疲劳试验机来进行随机疲劳试验。用概率统计方法来处理疲劳试验数据是从本世纪4}年代开始的。1949年，Weihull W.(威布尔)发表了著名的对疲劳试验数据进行统计分析的方法。1959年Pope J. A.(波普)指出。疲劳试验的寿命数据符合对数正态分布。1953年美国材料与试验协会(ASfiM)的E9疲劳委员会出版了《疲劳试验与疲劳数据的统计分析指南》(ASTM STP91A)一书。在概率疲劳设计方面，1961年Stulen F. J3.(史图伦)等人在机械设计中考虑了材料疲劳极限的概率分布。1964至1969年，美国人Haugen E. B.〔豪根)对两个正态分布函数的代数运算进行了分析，为强度干涉模型的可靠度计算奠定了基础。从1970年开始，美国人(凯塞乔格罗)完善了用强度干涉模型进行概率疲劳设计的一套方法，使疲劳可靠性研究走上了一个新阶段。
在疲劳裂纹扩展方面，1957年美国人Paris P. C.(帕里斯)提出，在循环载荷作用下，裂纹尖端的应力强度因子范围是控制零构件疲劳裂纹扩展速率的基本参量，并于1963年提出了著名的指数幂定律公式，给疲劳研究提供了一个估算疲劳裂纹扩展寿命的新方法，后来在此基础上发展出了损伤容限设计，从而使断裂力学和疲劳这两门学科逐渐结合起来。1967年(福尔曼)提出了可以考虑平均应力影响的修正公式Forman公式。现在，以上两个公式都广泛用于零构件的疲劳裂纹扩展寿命估算。
在局部应力应变法方面，1950年Stawell (斯托厄尔)对受单轴拉伸的带圆孔平板应力场的弹性解进行了塑性修正，得到了孔边的真实应力集中系数。1961年Neuber H.开始用局部应力应变研究疲劳寿命，他对受切应力作用的有对称缺口的棱柱体进行了分析，得出了描述缺口非线性应力一应变特性的Neuber定律。1966年提出了根据缺口根部的应力应变分析和光滑试样的应变一寿命曲线确定缺口疲劳寿命的方法。1969年(托泊)、Wetzel R. M.(韦策尔)和Morrow(莫罗)等人提出了用Neuher公式和光滑试样的试验数据确定缺口疲劳寿命的简化方法。1971年Wetxel ，建立了用局部应力应变分析估算零构件随机疲劳寿命的一整套方法，并给出了计算程序，使局部应力应变法很快发展起来。1974年美国空军把这种方法应用到飞机部件的寿命估算上。美国汽车协会也要求各厂家在进行产品设计时，一定要把此法纳入设计大纲。1979年美国杜鲁门飞机公司已正式采用这种方法来估算零构件的疲劳寿命。
