船舶与海洋结构物长期服役于恶劣环境的工况,承受风、波浪、海流等多种载荷的作用。在众多载荷破坏形式中,疲劳破坏是船舶与海洋结构物主要的破坏形式之一。在实际工程中,很多构件的疲劳断裂并不是从预期的长裂纹缺陷开始的,而是从小裂纹扩展行为就已经开始。大量研究表明,金属材料的疲劳小裂纹扩展行为与长裂纹扩展行为之间存在很大的差异。为此,本文开展了金属材料疲劳小裂纹扩展行为预报研究,从而为工程应用提供一种有效的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率及全寿命预报模型。本文基于疲劳裂纹扩展理论,对金属材料疲劳小裂纹扩展行为展开了研究,为工程应用提供一种有效的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率及全寿命预报模型。首先,本文针对现有的金属材料疲劳小裂纹扩展行为研究进行了总结与分析,重点研究了小裂纹理论及现有小裂纹扩展预报模型;其次,对疲劳小裂纹尖端塑性区域及小裂纹门槛值进行了修正,提出了金属材料疲劳裂纹扩展预报修正模型,研究了其在小裂纹门槛值预报及对小裂纹Kitagawa效应解释等方面的应用;同时,还分析了金属材料疲劳裂纹扩展预报模型中各参数的灵敏;此外,本文还利用所提模型对钛合金、铝合金等材料的疲劳小裂纹扩展速率、长裂纹扩展速率、疲劳全寿命进行了预报;最后,本文还进行了钛合金Ti-6Al-4V材料的平面应变断裂韧性ICK的测定和钛合金Ti-6Al-4V材料的疲劳寿命试验研究。验证了本文所提金属材料疲劳小裂纹扩展预报模型的适用性,为工程应用提供一种有效的考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展速率及全寿命预报方法。本文具体工作如下:(1)金属材料疲劳小裂纹理论研究。对金属材料疲劳小裂纹效应的概念、特点及产生原因进行了总结;针对McEvily模型、疲劳裂纹扩展统一预报模型及Chapetti模型进行重点研究,为后续修正模型的提出奠定理论基础。(2)疲劳裂纹扩展行为统一预报修正模型研究。在金属材料小裂纹扩展特性研究的基础上,对金属材料小裂纹尖端塑性区域尺寸进行了修正;研究了小裂纹的裂纹闭合原理并在EI Haddad模型的基础上对金属材料小裂纹门槛值进行修正;提出金属材料疲劳裂纹扩展预报修正模型,并研究了其在金属材料小裂纹预报及Kitagawa效应解释方面的应用,同时对修正模型中的参数灵敏度进行了分析。(3)典型金属材料疲劳裂纹扩展速率研究。利用本文提出的疲劳裂纹扩展预报修正模型,对钛合金材料在不同应力水平、不同微结构及不同载荷比下的疲劳小裂纹扩展速率进行了预报,将预报结果同相应试验结果进行了对比分析;同时对铝合金材料疲劳小裂纹扩展速率进行了预报,对比分析了预报结果和相应试验结果;最后对钛合金、铝合金材料的疲劳长裂纹扩展速率进行了预报并将预报结果与相应试验结果进行了对比,从而验证该模型在预报金属疲劳裂纹扩展速率时的可靠性。(4)典型金属疲劳全寿命研究。利用本文提出的疲劳裂纹扩展预报修正模型,对钛合金、铝合金在不同条件下的疲劳全寿命进行预报研究并将预报结果与相关试验结果进行对;对钛合金Ti-6Al-4V材料的平面应变断裂韧性ICK进行了测定,同时开展了钛合金Ti-6Al-4V疲劳寿命试验研究,从而验证本文所提的疲劳裂纹扩展预报修正模型具有很好的工程应用价值。