疲勞內(nèi)耗方法研究回顧

余海偉，孫志江，尹志新，毛漢領(lǐng)

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

專論綜述

疲勞內(nèi)耗方法研究回顧

余海偉，孫志江，尹志新，毛漢領(lǐng)

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

內(nèi)耗是指固體由于內(nèi)部原因造成的振動(dòng)能量的消耗，它能靈敏地反映材料內(nèi)部微觀缺陷的狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)變化。材料或構(gòu)件在循環(huán)載荷下由于內(nèi)部損傷和缺陷的累積逐漸導(dǎo)致疲勞失效，而通過考察疲勞過程中的能量消耗、超聲衰減響應(yīng)與材料阻尼本領(lǐng)等內(nèi)耗量的變化，可以建立一種理解材料疲勞行為和表征材料疲勞性能的有效方法。本文將對(duì)內(nèi)耗方法應(yīng)用于疲勞研究的理論背景和手段加以概括介紹，并對(duì)其在疲勞剩余壽命評(píng)估、裂紋萌生檢測(cè)等方面的研究應(yīng)用進(jìn)行介紹回顧，最后對(duì)此類方法的進(jìn)一步研究利用做了討論和展望。

疲勞；內(nèi)耗；超聲衰減；無損檢測(cè)；損傷機(jī)理

疲勞破壞是工程實(shí)際中廣泛存在、機(jī)械零件失效的主要原因之一。材料的疲勞極限往往遠(yuǎn)小于其靜強(qiáng)度極限，且在發(fā)生疲勞失穩(wěn)斷裂之前沒有很大的塑性變形，其低應(yīng)力性、突發(fā)性以及敏感性使疲勞斷裂往往造成災(zāi)難性的嚴(yán)重后果[1]。傳統(tǒng)的疲勞壽命研究，依賴于經(jīng)驗(yàn)性的試驗(yàn)方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且可靠性低。新的理論和技術(shù)的發(fā)展促使研究人員提出了更為高效的疲勞壽命預(yù)測(cè)以及疲勞損傷無損檢測(cè)方法。如依據(jù)疲勞過程中的能量耗散效應(yīng)提出的疲勞能量方法[2]，通過追蹤材料在疲勞過程中的性能退化[3]所建立的剩余壽命評(píng)價(jià)方法等。

內(nèi)耗是材料的一種屬性，它是指固體在機(jī)械振動(dòng)過程中由于內(nèi)部原因引起的能量損耗，工程上常用阻尼本領(lǐng)來表示，對(duì)于高頻振動(dòng)情況也稱為超聲衰減[4]。材料的內(nèi)耗與其形狀尺寸無關(guān)，而對(duì)材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和缺陷具有極強(qiáng)的依賴性，因而可作為一種靈敏反映材料內(nèi)部各種微觀缺陷的狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)變化的無損檢測(cè)參量[5]。通過研究疲勞過程中與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化和微觀損傷演變有關(guān)的內(nèi)耗效應(yīng)，將內(nèi)耗理論和技術(shù)應(yīng)用于疲勞現(xiàn)象研究的方法稱之為疲勞內(nèi)耗方法。

借助對(duì)與材料內(nèi)耗相關(guān)物理量的測(cè)量以表征材料疲勞性能和理解材料的疲勞行為，也已經(jīng)有了大量的研究工作。概括而言，疲勞內(nèi)耗方法中所考察的相關(guān)內(nèi)耗物理量有三種：

第一種，由疲勞滯后回線所導(dǎo)出的每一應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)周內(nèi)耗；

第二種，將超聲波引入處于疲勞加載過程中的試樣，測(cè)量其通過試樣后振幅和聲速的變化，即超聲衰減；

第三種，在內(nèi)耗儀對(duì)經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)加載后的疲勞試樣所測(cè)得的內(nèi)耗，可稱試樣的阻尼本領(lǐng)。

疲勞載荷作用下材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)逐漸演化，并導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，在外界交變應(yīng)力持續(xù)作用下裂紋繼續(xù)擴(kuò)展直至發(fā)生疲勞斷裂，這一過程中微觀結(jié)構(gòu)和損傷的演變將靈敏地反映在上述與內(nèi)耗相關(guān)的宏觀物理量的變化上，因此可用它們作為材料在疲勞過程中的損傷累積、性能退化和剩余壽命變化的指標(biāo)。本文將首先對(duì)上述三種物理量所對(duì)應(yīng)的內(nèi)耗機(jī)制、測(cè)量方法及其與疲勞損傷過程的交互機(jī)理加以介紹，其次將對(duì)內(nèi)耗技術(shù)和方法在疲勞研究中的應(yīng)用和貢獻(xiàn)進(jìn)行概括，最后將對(duì)疲勞內(nèi)耗方法進(jìn)行討論總結(jié)并加以展望。

1 疲勞內(nèi)耗方法及其表征

1.1 內(nèi)耗的基本度量

假設(shè)△W是振動(dòng)一周時(shí)單位體積的試樣所消耗的能量，W是單位體積的試樣在振動(dòng)當(dāng)中所貯存的最大彈性能量，則從能量消耗本身提出的一種對(duì)內(nèi)耗的基本定義為[4]：

材料內(nèi)部的內(nèi)耗機(jī)制多種多樣，產(chǎn)生內(nèi)耗的根本原因是物體在交變應(yīng)力的作用下振動(dòng)時(shí)，除了產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的彈性應(yīng)變，還由于內(nèi)部的原因（可以是分子的、原子的、聲子的或電子的）而產(chǎn)生一個(gè)附加的非彈性形變，從而導(dǎo)致了應(yīng)變落后于應(yīng)力，但未發(fā)生永久變形。因而測(cè)量?jī)?nèi)耗的最直接方法是測(cè)定應(yīng)變?cè)诮蛔冋駝?dòng)中落后于應(yīng)力的相角φ，此時(shí)Q-1＝tanφ.

適用于不同的情況下內(nèi)耗測(cè)量的方法有共振法、強(qiáng)迫共振法等。對(duì)于頻率較高的振動(dòng)（1 MHz以上），可從應(yīng)力波在試樣中傳播時(shí)的衰減系數(shù)求得內(nèi)耗，即超聲衰減。

1.2 疲勞過程中的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)內(nèi)耗

試樣在疲勞載荷作用下所表現(xiàn)出的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)回線的面積（圖1）代表了單個(gè)循環(huán)中單位體積的試樣所消耗的能量△W，而對(duì)應(yīng)圖1中陰影部分的面積代表了單體體積的試樣所儲(chǔ)存的最大能量W.于是由此計(jì)算得到疲勞過程中試樣每一應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)周的內(nèi)耗[6]：

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)回線

疲勞過程中試樣在每一應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)周的內(nèi)耗隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的變化，體現(xiàn)了試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和疲勞損傷演化對(duì)振動(dòng)能量消耗吸收的歷程，因此它的大小與材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變化緊密相關(guān)。研究人員通過上述計(jì)算方法考察材料在疲勞試驗(yàn)中內(nèi)耗[7-10]、能量消耗[11]以及應(yīng)變阻力等隨循環(huán)數(shù)的變化，再配合傳統(tǒng)的觀察手段，建立起材料內(nèi)部微觀變化與宏觀測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)規(guī)律，從而從內(nèi)耗或能量消耗角度揭示了疲勞裂紋形成及失效機(jī)制，并提出了相應(yīng)的提高材料耐疲勞強(qiáng)度原則。

1.3 循環(huán)加載下材料內(nèi)耗的動(dòng)態(tài)變化——超聲衰減

超聲衰減是指把一個(gè)超聲脈沖引入試樣，這就相當(dāng)于對(duì)試樣施加一個(gè)應(yīng)力波，材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和缺陷與該應(yīng)力波的交互作用使其產(chǎn)生衰減，可以看作是高頻振動(dòng)情況下對(duì)試樣內(nèi)耗的一種度量。

在疲勞載荷作用下材料或零件內(nèi)部出現(xiàn)晶格位錯(cuò)、微塑性變形、微裂紋等的不同程度的缺陷，而在疲勞載荷的持續(xù)作用下，這些缺陷也隨之不斷演化和擴(kuò)大。缺陷狀態(tài)的變化使得超聲波在疲勞前后試樣中傳播時(shí)受到的交互作用發(fā)生改變，繼而超聲衰減的程度隨之變化。設(shè)在疲勞試驗(yàn)之前和疲勞過程中采集的信號(hào)振幅分別為V0、Vt，則超聲衰減變化為：

式中，t0為超聲波穿過試樣所需的時(shí)間。于是可以通過對(duì)試樣在疲勞過程中超聲衰減響應(yīng)的在線測(cè)量，實(shí)時(shí)追蹤材料內(nèi)部微觀缺陷的動(dòng)態(tài)變化。

這里需要指出的是超聲衰減△α與前述應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)周內(nèi)耗Q-1的不同之處，△α反映的是疲勞過程某一瞬間超聲應(yīng)力波通過試樣的能量消耗，而Q-1反映的則是疲勞過程中準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力作用下能量的平均耗散情況。而材料內(nèi)部直接影響兩者的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)制也有不同，如在疲勞早期階段兩者均由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，但超聲衰減測(cè)量中的高頻低振幅超聲波應(yīng)力不足以引起位錯(cuò)作大范圍的運(yùn)動(dòng)，而只是引起部分位錯(cuò)在其所處位置附近作小范圍的顫動(dòng)，于是它的變化與這一部分可動(dòng)位錯(cuò)直接相關(guān)，而Q-1的變化則與整體的位錯(cuò)組態(tài)和數(shù)量有關(guān)[7]。

1.4 不同損傷程度材料阻尼本領(lǐng)的離線測(cè)量

在疲勞試驗(yàn)中，將試樣間歇性地從疲勞試驗(yàn)機(jī)取下，再利用內(nèi)耗儀對(duì)試樣內(nèi)耗（阻尼本領(lǐng)）進(jìn)行離線測(cè)量，通過此方式測(cè)得材料阻尼本領(lǐng)隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化，是內(nèi)耗方法運(yùn)用于疲勞研究的另一種思路。疲勞載荷持續(xù)作用下材料內(nèi)部的損傷和缺陷處于不斷演化和擴(kuò)大的狀態(tài)，這包括從納米級(jí)的位錯(cuò)缺陷到毫米級(jí)的裂紋缺陷的出現(xiàn)。這個(gè)過程中引起試樣阻尼本領(lǐng)變化的因素有兩個(gè)方面：一方面是缺陷類型演化所導(dǎo)致的內(nèi)耗機(jī)制的改變，如在疲勞早期，材料的阻尼機(jī)制主要來源于位錯(cuò)內(nèi)耗[12]，而在疲勞后期，微裂紋的出現(xiàn)則引入了由于裂紋表面間的摩擦作用所導(dǎo)致的與微裂紋有關(guān)的內(nèi)耗；另一方面是同種缺陷類型下由于其密度、長(zhǎng)度、組態(tài)的變化引起的材料阻尼本領(lǐng)的變化[13]，如疲勞后期與微裂紋有關(guān)的內(nèi)耗隨著裂紋密度和長(zhǎng)度的增大而增大。

不同的循環(huán)加載次數(shù)下所測(cè)得的試樣阻尼本領(lǐng)與試樣所達(dá)到的疲勞損傷程度，以及通過微觀觀察手段得到的內(nèi)部缺陷狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，這就實(shí)現(xiàn)了通過材料阻尼本領(lǐng)宏觀測(cè)量的方法表征材料內(nèi)部微裂紋的萌生與擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而建立一種易于實(shí)現(xiàn)和可靠的疲勞損傷無損檢測(cè)方法。試樣阻尼本領(lǐng)的離線測(cè)量可通過諧振式頻譜儀[14，15]、熱動(dòng)態(tài)分析儀（DMA）[16]等多種內(nèi)耗儀實(shí)現(xiàn)，不同的測(cè)量?jī)x器對(duì)應(yīng)著不同的測(cè)量機(jī)制與計(jì)算原理。

同樣是可以對(duì)疲勞試樣內(nèi)部缺陷狀態(tài)進(jìn)行宏觀表征，與可以實(shí)時(shí)在線測(cè)量的超聲衰減不同，離線測(cè)量材料阻尼本領(lǐng)的方法有著自己的優(yōu)點(diǎn)。如前文所述超聲衰減測(cè)量中的超聲波應(yīng)力高頻而振幅較低，因此較適合于早期疲勞損傷中位錯(cuò)組態(tài)演變的研究，而在對(duì)試樣從初始狀態(tài)到臨近疲勞失效整個(gè)過程的研究中，離線測(cè)量材料阻尼本領(lǐng)手段則可以顯示出更好的適用性。

2 內(nèi)耗方法在疲勞研究中的應(yīng)用

2.1 疲勞過程內(nèi)耗響應(yīng)與疲勞損傷行為研究

疲勞載荷作用下材料內(nèi)部損傷累積和演化過程所對(duì)應(yīng)的內(nèi)耗、超聲衰減、材料阻尼等的響應(yīng)曲線在眾多疲勞試驗(yàn)研究中測(cè)量得到。劉國(guó)東等[7]在研究鋁的疲勞行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，單晶純鋁在常溫下疲勞早期階段，內(nèi)部的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出從網(wǎng)絡(luò)狀到帶狀、再到穩(wěn)定的位錯(cuò)墻或位錯(cuò)胞結(jié)構(gòu)這一逐漸變化的過程。而通過疲勞內(nèi)耗儀對(duì)這個(gè)過程中的應(yīng)力、內(nèi)耗、超聲衰減測(cè)量結(jié)果顯示，三者均由于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，且應(yīng)力與內(nèi)耗的變化同步而趨勢(shì)相反，超聲衰減的變化趨勢(shì)與它們稍有不同步。具體來講，△α的最大值和纏結(jié)的位錯(cuò)帶間的自由位錯(cuò)相聯(lián)系，σ峰值和Q-1的同步谷值則與不完善的胞狀結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。從定量的關(guān)系來講，有

其中，F(xiàn)為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力；u為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)自由程；Λ為位錯(cuò)密度；σm為應(yīng)變最大處的應(yīng)力；εt為應(yīng)變振幅。

超聲衰減和應(yīng)力、內(nèi)耗隨循環(huán)次數(shù)的變化體現(xiàn)了試樣內(nèi)部位錯(cuò)組態(tài)逐漸變化的過程，也為揭示疲勞裂紋成核機(jī)制提供了依據(jù)。夏月波等在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了不同的滑移取向[8]、材料中的溶質(zhì)原子[9]、不同外加循環(huán)應(yīng)力波形[10]等因素對(duì)此過程的影響。結(jié)果證明，不同的初始條件對(duì)材料在疲勞過程中的損傷行為以及壽命的影響可以通過其對(duì)內(nèi)耗和超聲衰減響應(yīng)曲線造成的差別上體現(xiàn)出來。

此外，Vahid等[14]通過追蹤材料阻尼本領(lǐng)隨疲勞循環(huán)次數(shù)的變化研究了1018碳鋼完整的疲勞失效過程。結(jié)果顯示，無論在高周和低周疲勞中，試樣阻尼本領(lǐng)均表現(xiàn)為“初始增長(zhǎng)—保持恒定—疲勞失效前的驟增”三個(gè)階段的變化規(guī)律。一系列的研究說明，內(nèi)耗、超聲衰減、阻尼本領(lǐng)的測(cè)量一方面為偵查材料在疲勞過程微觀結(jié)構(gòu)變化提供宏觀考察依據(jù)，另一方面也為指示這些變化提供了一種宏觀表征手段。于是在材料疲勞過程中通過此類與內(nèi)耗有關(guān)的宏觀物理量的測(cè)量，便為材料疲勞損傷機(jī)制研究、損傷狀態(tài)定級(jí)和剩余壽命評(píng)估提供了一種普適性的無損方法。

2.2 裂紋萌生和擴(kuò)展的無損檢測(cè)

疲勞的持續(xù)作用會(huì)使服役中的結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸出現(xiàn)微裂紋，如不及時(shí)采取相應(yīng)措施，在循環(huán)載荷作用下微裂紋將不斷擴(kuò)展，最終造成構(gòu)件疲勞斷裂，引發(fā)危險(xiǎn)事故。因此，早期疲勞損傷尤其是對(duì)微裂紋的萌生與擴(kuò)展的精確檢測(cè)和評(píng)估，對(duì)于確保零件和結(jié)構(gòu)安全可靠具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

已有大量的研究工作聚焦在循環(huán)載荷作用下材料內(nèi)部疲勞裂紋萌生所引發(fā)的與內(nèi)耗相關(guān)的響應(yīng)上。Fine等[15]在研究304不銹鋼疲勞過程中的裂紋萌生時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試樣內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度達(dá)平均50 μm長(zhǎng)時(shí)就可以用內(nèi)耗和模量的變化靈敏探測(cè)到。在裂紋長(zhǎng)度達(dá)到此水平之前，內(nèi)耗基本保持恒定，而后由于裂紋尺度的不斷增大，由裂紋表面間的摩擦作用導(dǎo)致的能量損耗加強(qiáng)，從而導(dǎo)致試樣內(nèi)耗的大幅上升。彈性模量在疲勞初期由于內(nèi)部的范性形變而增大，但同樣因裂紋的出現(xiàn)及達(dá)到該尺寸之后開始轉(zhuǎn)而下降。因此可用內(nèi)耗的明顯增大和彈性模量的峰值的出現(xiàn)探測(cè)疲勞過程中試樣內(nèi)部微裂紋的萌生，且其探測(cè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)意義上對(duì)可檢測(cè)裂紋的定義200 μm，大大提高了材料或零件疲勞失效預(yù)測(cè)的可靠性。方前鋒[13]基于微裂紋表面的摩擦作用引起內(nèi)耗機(jī)制探討了小應(yīng)變振幅條件下內(nèi)耗和模量虧損與微裂紋參數(shù)之間的定量關(guān)系：

其中，μ為切變模量，B為單位面積微裂紋運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力系數(shù)。從而得出內(nèi)耗正比于裂紋大小的3次，模量虧損正比于裂紋大小的2次，以及Q-1和△M/M與疲勞循環(huán)周次同樣為指數(shù)關(guān)系的結(jié)論，這在大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定性分析中得到驗(yàn)證。

2.3 疲勞影響因素的相關(guān)研究

疲勞失效的復(fù)雜性之一體現(xiàn)在易受材料本身及外界環(huán)境因素的影響性，如對(duì)于服役中的零件或結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)隨溫度升高疲勞性能下降，高溫條件下其疲勞強(qiáng)度隨加載頻率升高而下降等規(guī)律。由于工程實(shí)際中零件或結(jié)構(gòu)多出于復(fù)雜載荷狀態(tài)及環(huán)境條件下，研究這些因素對(duì)疲勞失效的影響作用尤其具有重要工程價(jià)值。

P.Palanichamy[16]等對(duì)比研究了常溫和高溫條件下316 L不銹鋼疲勞過程中超聲速率、超聲衰減和彈性模量變化的不同。結(jié)果顯示，高溫下由于氧化和晶界蠕變效應(yīng)的存在導(dǎo)致疲勞失效加速和測(cè)量的超聲速率偏高，而且溫度越高這種影響作用越是明顯，于是可以通過超聲測(cè)量來偵測(cè)疲勞過程中的蠕變交互作用。進(jìn)一步的試驗(yàn)研究顯示，在450 K溫度以上時(shí)，蠕變交互作用下的疲勞失效過程可以靈敏反映在變化較大的超聲響應(yīng)參數(shù)上，這也為這種類型的疲勞提供了一種在線損傷監(jiān)測(cè)手段。Jose等[17]研究了鋁合金在不同頻率的循環(huán)應(yīng)力作用下的失效行為。發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加循環(huán)應(yīng)力低于某一個(gè)頻率臨界值時(shí)，材料表現(xiàn)為準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，高于此臨界值時(shí)，材料的失效行為則開始展現(xiàn)出疲勞和蠕變的失效機(jī)制。進(jìn)一步地，其基于疲勞過程中的滯后耗散能理論提出評(píng)定此頻率閾值的內(nèi)耗方法，即認(rèn)為循環(huán)載荷下材料的疲勞失效的發(fā)生需要外加載荷使其產(chǎn)生一定大小的滯后耗散能，而能夠達(dá)到此滯后耗散能強(qiáng)度要求時(shí)的頻率臨界值即為使該材料產(chǎn)生疲勞失效的循環(huán)應(yīng)力頻率閾值。

3 結(jié)束語(yǔ)

疲勞內(nèi)耗方法以內(nèi)耗理論與技術(shù)為背景，基于易于實(shí)現(xiàn)的材料阻尼本領(lǐng)、超聲衰減等與內(nèi)耗有關(guān)的宏觀物理量的測(cè)量，在材料疲勞損傷機(jī)理研究、疲勞損傷無損檢測(cè)和剩余壽命預(yù)測(cè)、材料疲勞性能研究和改善等方面顯示出重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。然而面對(duì)現(xiàn)今工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的新材料的投入使用，以及為適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)和零件提出的更高更復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求，疲勞問題的研究和推動(dòng)疲勞內(nèi)耗方法在工程實(shí)際中應(yīng)用的研究仍需不斷地發(fā)展和完善。如在與微裂紋相關(guān)的內(nèi)耗的研究中，內(nèi)耗與裂紋線度之間的關(guān)系式是建立在對(duì)裂紋引起的內(nèi)耗機(jī)制的理論分析基礎(chǔ)之上，但由于裂紋表面間摩擦作用復(fù)雜，在建模中往往忽略表面間鍵合程度、裂紋附近的內(nèi)應(yīng)力、裂紋表面的粗糙度等難以描述的影響因素[13]，這種簡(jiǎn)化必然導(dǎo)致兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系的偏差。顯然通過對(duì)材料內(nèi)部微觀缺陷與其所導(dǎo)致的內(nèi)耗參量之間的機(jī)制進(jìn)行更為貼近實(shí)際的分析和表征，可以提高以內(nèi)耗技術(shù)為基礎(chǔ)的無損檢測(cè)方法的可信程度。

將疲勞內(nèi)耗方法應(yīng)用于工程實(shí)際中還需要一系列的推動(dòng)工作。首先是研制針對(duì)工程實(shí)際構(gòu)件的高效、精確的宏觀內(nèi)耗測(cè)量手段與儀器，其次要根據(jù)實(shí)際情況制定合理、統(tǒng)一性的測(cè)量規(guī)范。最后，目前疲勞內(nèi)耗方法在單晶、多晶純凈金屬及合金材料中的研究和應(yīng)用較為成熟，而工程實(shí)際中由于材料或零構(gòu)件使用狀態(tài)和使用條件的復(fù)雜性，其疲勞失效機(jī)制往往牽涉到更多因素，失效規(guī)律也更具離散性，因此針對(duì)工程實(shí)際材料疲勞失效的具體機(jī)制和特點(diǎn)，還需研究選取敏感程度較高的內(nèi)耗表征參數(shù)，以適應(yīng)材料中實(shí)際缺陷類型和狀態(tài)的表征需求。

[1]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).疲勞強(qiáng)度與可靠性設(shè)計(jì)[M].5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]Wang XG，Crupi V，Jiang C，Guglielmino E.Quantitative Thermographic Methodology for fatigue life assessment in a multiscale energy dissipation framework[J].Int J Fatigue，2015，（81）：249-56.

[3]吳志學(xué).金屬材料疲勞損傷與力學(xué)性能退化機(jī)制研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2001（02）：216-218.

[4]葛庭燧.固體內(nèi)耗理論基礎(chǔ)晶界弛豫與晶界結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[5]方前鋒，王先平，吳學(xué)邦，等.內(nèi)耗與力學(xué)譜基本原理及其應(yīng)用[J].物理，2011（12）：786-793.

[6]朱震剛，周星，費(fèi)廣濤.疲勞內(nèi)耗儀的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1988（04）：396-401.

[7]劉國(guó)東，朱震剛，王靜.高純鋁單晶在拉壓疲勞早期過程中的行為[J].金屬學(xué)報(bào)，1996（05）：510-515.

[8]夏月波.不同滑移取向Al單晶體在循環(huán)形變中的行為[J].自然科學(xué)進(jìn)展，1994（01）：83-92.

[9]費(fèi)廣濤，朱震剛.稀Al合金中溶質(zhì)原子對(duì)疲勞早期階段行為的影響[J].材料科學(xué)進(jìn)展，1992（06）：503-506.

[10]王靜，方前鋒，朱震剛.循環(huán)應(yīng)變波形對(duì)鋁疲勞過程中超聲衰減的影響[J].物理學(xué)報(bào)，1998（04）：32-36.

[11]王中光，夏月波，黃元士，等.鋁-銀合金在疲勞過程中所表現(xiàn)的一些特點(diǎn)[J].物理學(xué)報(bào)，1980（02）：173-181.

[12]A.Granato，K.Lücke.Theory of mechanical damping due to dislocations[J].Appl.Phys，1956（27）：583-593.

[13]方前鋒.與材料中的微裂紋有關(guān)的內(nèi)耗和模量虧損[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001（S3）：211-213.

[14]Vahid Mortezavia，Ali Haghshenasa，etc.Fatigue analysis of metals using damping parameter[J].International Journal of Fatigue.2016，91（1）：124-135.

[15]Fine，M.E.，McGuire，S.M，etc.Nondestructive detection of fatigue cracks in PM 304 stainless steel by internal friction and elasticity[J].International Journal of Fatigue，1995（17）：75.

[16]P.Palanichamy；V.S.Srinivasan.Microstructural Character ization of Fatigue and Creep-Fatigue Damaged 316L（N）Stainless Steel Through Ultrasonic Measurements[J].Procedia Engineering，2013：154-159.

[17]Jose I.Rojas，Daniel Crespo.Onset Frequency of Fatigue Effects in Pure Aluminum and 7075（AlZnMg）and 2024（AlCuMg）Alloys[J].Metals.2016，6（3）：50.

Review of the Research on Internal Friction Methods in Fatigue Study

YU Hai-wei，SUN Zhi-jiang，YIN Zhi-xin，MAO Han-ling
（College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Internal friction is the feature of the vibration energy dissipation in solids due to internal reason，which can be used to monitor the state and the change of micro-defect in material.Fatigue failure is caused by gradual damage accumulation in materials or structures.And an effective method to investigate the damage mechanism during fatigue and materials’fatigue strength can be established via the measurement of internal friction related quantities such as energy dissipation，ultrasonic attenuation，or damping capacity through fatigue progress.In this article the theoretical background and the common methods used in this kind of research was concluded，and the application of internal friction methodology in residual life assessment and crack initiation during fatigue is followed.Prospect of further study and potential application of this kind of method was made in the end.

fatigue；internal friction；ultrasonic attenuation；NDT；damage mechanism

TH17；TG142.31

：A

：1672-545X（2017）01-0004-04

2016-10-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：No.51365006）

余海偉（1990-），男，河南柘城人，在讀碩士研究生，研究方向：金屬材料疲勞損傷與壽命估測(cè)；孫志江（1991-），男，山東菏澤人，在讀碩士研究生，研究方向：軸承振動(dòng)與壽命；尹志新（1960-），男，遼寧岫巖人，博士，教授，研究方向：金屬材料的組織與性能，高速及超高速碰撞過程中的損傷機(jī)理及計(jì)算機(jī)模擬與防護(hù)，金屬材料疲勞損傷與機(jī)理，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化；毛漢領(lǐng)（1963-），男，廣西恭城人，博士，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)備控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷，機(jī)電一體化，遠(yuǎn)程高等教育。