本文是一篇综述类科学文献，作者为Weicheng Cui，作者所在机构为School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University，发表于期刊《Journal of Marine Science and Technology》, 2002年第7卷，43-56页。文献的主题是金属结构疲劳寿命预测方法的最新研究进展。
疲劳是材料在循环应力和应变下发生损伤并最终失效的过程，是金属结构中最常见的失效模式之一。尽管疲劳研究已有160多年的历史，但许多核心问题依然未解。本文对金属疲劳研究的最新进展进行了全面总结，特别是疲劳寿命预测方法的发展，分析了材料、结构、载荷和环境等因素对金属疲劳行为的影响，并提出了未来的研究方向。
研究指出，目前主要存在两种疲劳寿命预测理论：累计损伤理论（Cumulative Fatigue Damage Theory，简称CFD）和疲劳裂纹扩展理论（Fatigue Crack Propagation Theory，简称FCP）。作者特别强调，这两种理论均有其优势和局限性，目前的努力正逐步将两者结合，以提高预测的准确性。
本文的主要目标是评估金属疲劳相关知识的现状，并探讨疲劳研究中的未解难题与未来研究方向。
疲劳过程从微观损伤开始，经历裂纹萌生、微裂纹扩展、宏观裂纹扩展，直到最终断裂。作者回顾了疲劳发展历程中的几种主要分类方法： - Schijve将疲劳过程分为四个阶段：裂纹萌生、微裂纹扩展、宏裂纹扩展及失效。 - Shang等人提出了五阶段模型：早期循环损伤、微裂纹萌生、短裂纹扩展、宏裂纹扩展到最终断裂。 - Miller依据裂纹的尺度提出了三种类型：微观短裂纹（Microstructurally Small Cracks）、物理短裂纹（Physically Small Cracks）和长裂纹（Long Cracks）。
基于以上分类，作者提出一种新的疲劳过程五阶段划分方法，并给出了每个阶段裂纹的特征尺寸范围及对应的检测技术。
CFD理论基于连续介质力学，假设材料在循环加载下损伤累积直至失效。作者详细回顾了CFD理论的主要方法： - 应力导向方法（Stress-Based Approach）：基于S-N曲线，计算疲劳寿命与应力幅值之间的关系。特别讨论了应力集中效应的三种处理方法：标称应力法、热点应力法和缺口应力法。 - 应变导向方法（Strain-Based Approach）：采用Manson-Coffin模型描述塑性应变与疲劳寿命间的关系，并介绍了改进的统一模型。 - 能量导向方法（Energy-Based Approach）：基于能量耗散的疲劳标准，结合多轴疲劳参数对复杂加载情况进行建模。 - 连续损伤力学（Continuum Damage Mechanics，CDM）方法：将损伤演化建模为损伤状态和载荷条件的非线性函数。
本文指出，虽然CFD理论发展迅速，但存在对疲劳“失效”定义模糊的缺陷，这可能导致疲劳寿命的大范围波动。因此，FCP理论为解决这一问题提供了补充。
FCP理论利用断裂力学方法，研究裂纹在循环载荷下的扩展行为。作者回顾了裂纹扩展的经典规律： - 线弹性断裂力学（Linear Elastic Fracture Mechanics，LEFM）模型：将裂纹扩展速率与弹性应力强度因子范围（ΔK）相关联； - 非线性模型的修正：作者详细阐述了在阈值区、快速扩展区引入非线性参数的改进，包括巴黎定律、Forman公式等。 - 小裂纹行为：指出物理短裂纹与微观裂纹需要采用弹塑性断裂力学（Elastic-Plastic Fracture Mechanics，EPFM）和微观结构断裂力学（Microstructural Fracture Mechanics，MFM）模型处理。 - 裂纹闭合效应：Elber提出的裂纹闭合假设解释了应力比对裂纹扩展的影响，但作者对其提出质疑，并探讨了改进模型。
作者根据材料、结构、载荷和环境这四个范畴详细讨论了影响疲劳寿命的因素。
材料因素： - 基础材料性质（如硬度、弹性模量、延性等）对疲劳强度的影响。 - 表面加工的粗糙度和质量显著影响疲劳裂纹的萌生。
结构因素： - 结构几何形状影响局部应力分布； - 焊接等制造缺陷会削弱疲劳性能，作者特别提到IIW的疲劳设计规范。
载荷因素： - 均值应力的影响：提出Smith-Watson-Topper关系式来修正载荷影响； - 可变幅加载的复杂性：分析载荷顺序对裂纹扩展速率的加速或延缓作用； - 多轴疲劳问题：多轴加载比单一轴向疲劳明显缩短寿命。
环境因素： - 腐蚀环境促进裂纹萌生及扩展； - 高温条件下，蠕变与疲劳相互作用增加计算复杂性。
作者指出许多疲劳相关问题仍未解决，包括： - 复杂载荷下疲劳寿命的预测仍不够准确，多轴疲劳更难建模； - 腐蚀疲劳和高温疲劳的详细机理需要进一步研究； - 裂纹尺寸分布和初始状态的记录精度需提高。
本文对金属疲劳寿命预测理论的最新进展进行了系统综述，填补了不同理论方法和疲劳影响因素间的联系。通过揭示当前研究中存在的核心问题，本文为金属疲劳领域的学者提供了明确的研究方向和创新切入点。例如，裂纹扩展初始条件和复杂载荷影响的精确建模是未来可靠寿命预测方法的关键。与此同时，关注小裂纹行为和多轴疲劳的理论进展，也是提升工程设计疲劳性能的核心所在。
最终，本研究为疲劳失效问题的深入研究和工程实践提供了重要指导，并使学术界和工业界对金属疲劳的复杂性和迫切性有了更深认识。