金属部件的疲劳断裂是工程结构失效的主要形式。自从19世纪中叶以来,人们为防止疲劳失效付出了不懈的努力,积累了大量的经验规律和理论分析方法。然而,随着近代机械、航空航天、海洋工程等工程结构日益向大型化、轻量化、高速、高温、高载的方向发展,疲劳断裂的危险性和重要性显得愈来愈突出。疲劳失效的研究始终是理论界和工程界共同高度关注的焦点问题。对于疲劳裂纹扩展问题,人们关注的焦点是在裂纹达到临界尺寸、发生灾难性破坏之前,裂纹是以什么样的速度扩展的。知道了裂纹扩展速率就可以预测构件的疲劳寿命。具有里程碑式的进展是1961年Paris提出裂纹尖端的应力强度因子幅值作为疲劳裂纹扩展速率的控制参数,奠定了构件损伤容限和寿命评估的理论基础。然而,几十年来大量的实验结果表明,以线弹性断裂力学为基础的Paris公式不能描述循环载荷比、过载延迟效应、双轴疲劳中的侧向力、及缺口物理短裂纹的疲劳扩展行为。其原因是这些物理过程和裂纹尖端的塑性变形区密切相关,取决于塑性变形区的形状、尺寸及其内部的应力场。虽然人们早就认识到裂尖塑性变形区对疲劳裂纹扩展特性有重大的影响,投入了大量的研究,试图将塑性区作为力学参量引入疲劳失效判据。然而,裂纹尖端塑性区的形态及其应力场与加载的历史有关,在变化多端的交变载荷作用下的变化十分复杂。在过去几十年内提出的各种分析模型和力学参量都不足以描述其形态,因而不能从本质上解释与裂尖塑性变形相关的疲劳裂纹的扩展行为。因此,如何描述裂纹尖端的塑性变形对疲劳裂纹扩展的影响是疲劳断裂学科长期关注而未能解决的关键科学问题。近年来本人所在的研究小组,以Eshelby等效夹杂理论和相变增韧理论为基础,获得了裂纹尖端塑性变形对裂尖应力强度因子影响的近似理论解,该解为揭示裂纹尖端塑性区对金属材料疲劳行为的影响提供了严密而有效的分析方法。本论文在已有的工作基础上,提出用塑性修正的应力强度因子幅来描述循环载荷比、过载延迟效应、双轴疲劳中的侧向力、缺口物理短裂纹的扩展行为。论文的主要研究成果包括:(1)建立了塑性修正的应力强度因子幅pc?K的表达式及其有限元数值分析过程中的具体算法。(2)在Paris公式中用塑性修正的应力强度因子幅pc?K作为力学参量,成功地描述了实验中所观察到载荷比R、过载延迟效应、双轴疲劳中的侧向力对疲劳裂纹扩展速率的影响。证明pc?K是一个能描述裂纹尖端的塑性变形对疲劳裂纹扩展影响的有效的力学参量。(3)用塑性修正的应力强度因子幅pc?K作为力学参量,成功地揭示了裂纹长度、外加应力强度因子幅、过载幅度、连续过载的次数、载荷比及材料属性对过载延迟效应的影响规律,以及静态和循环的侧向应力水平、双轴应力比、相位差、载荷比R、裂纹长度对双轴疲劳裂纹扩展的影响。(4)应用Eshelby等效夹杂理论和相变增韧理论,推导出平面应力状态下I、II型裂纹在小范围屈服条件下塑性修正的应力强度因子表达式。(5)根据Eshelby等效夹杂理论和相变增韧理论,建立一种广义的疲劳裂纹驱动力参量—弹塑性应力强度因子表达式,并用其对物理短裂纹在缺口塑性区内的扩展行为作了初步的探讨。