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含缺陷服役构件在准静态和循环载荷作用下,部件的极限强度、剩余寿命和启裂失效的结构完整性(integrity of structures, IOS)基础研究一直受到工程与学术界重视。在一些高温、腐蚀、辐照、真空等特殊或极端环境下,即便是在实验室也无法便捷和高效的获取材料的相关力学性能,难以为含缺陷部件的IOS分析提供所需的材料力学性能基础数据。从材料代表性体积单元(representative volume element, RVE)的损伤相关性角度,深入和系统的开展材料力学性能评估理论方面的研究对促进含缺陷部件的IOS分析具有十分重要的意义。本文在材料单轴、纯扭低周疲劳(low cycle fatigue, LCF)临界损伤律与Ⅰ型、Ⅱ型疲劳裂纹扩展(fatigue crack growth, FCG)速率的关联性、材料单轴LCF临界损伤律与含Ⅰ型非穿透结构疲劳裂纹扩展(structural fatigue crack growth, SFCG)演化的关联性和基于直通型紧凑拉伸(front face compact tension, FFCT)试样的载荷分离(load separation, LS)测试技术获取材料J积分阻力(J integral resistance,JR)曲线共四个方面进行了深入和细致的研究。主要完成的工作内容如下：1.针对Ⅰ型裂纹,利用小范围屈服(small scale yield, SSY)条件下Rice的塑性叠加原理和远端单向拉伸载荷作用下裂纹尖端区的两类应力应变场：HRR (Hutchinson-Rice-Rosengren)场与RKE (Rice-Kujawski-Ellyin)场,获得了裂纹尖端区的循环应力应变场；另外在远端循环载荷作用下Ⅰ型裂纹尖端区存在拉压循环下的裂纹闭合(crack closure, CC)效应,因此需将循环应力应变场考虑拉压循环下CC效应修正后得到在疲劳载荷作用下的有效循环场和有效循环塑性区(cycle plastic zone, CPZ)尺寸；在有效CPZ内,根据Ⅰ型裂纹尖端区的两类有效循环应力应变场及塑性应变能密度(plastic strain energy density, PSED)和Miner的线性损伤累积(linear damage accumulation, LDA)两种疲劳失效准则分别建立了基于材料单轴LCF临界损伤律预测Ⅰ型FCG速率的理论模型(即用于Ⅰ型裂纹寿命评估的Shi-Cai模型)。结合15种工程材料的FCG速率试验数据与模型预测结果进行了系统的对比和分析,从拉压循环下CC效应、两种疲劳失效准则和两类有效循环应力应变场这三个方面讨论了Ⅰ型裂纹寿命评估的Shi-Cai模型预测精度。2.对于薄板中含Ⅰ型非穿透结构裂纹,结合所提出的Shi-Cai模型、Ⅰ型非穿透结构裂纹前缘各点的应力强度因子(stress intensity factor, SIF)和结构裂纹形貌疲劳扩展的非自相似(non self-similar, NSS)原理,发展了直接通过材料单轴LCF临界损伤律预测含Ⅰ型非穿透结构裂纹剩余寿命和形貌演化规律的理论模型。基于三种材料的非穿透SFCG试验数据,详细讨论了薄板中含Ⅰ型非穿透SFCG理论模型的预测精度。另外,利用7075-T6铝合金材料,深入和细致研究了薄板中含五种常见的Ⅰ型非穿透结构裂纹在承受远端循环拉拉、弯曲和拉弯组合载荷作用下裂纹形貌疲劳扩展的演化规律。研究表明：结构裂纹最终形貌的扩展仅取决于远端所施加循环载荷的方式而与初始缺陷尺寸无关。3.针对Ⅱ型裂纹,考虑SSY条件下Rice的塑性叠加原理和远端单向剪切载荷作用下裂纹尖端区的HRR场,得到了裂纹尖端区的循环应力应变场；由于Ⅱ型裂纹在远端剪切循环载荷作用下存在裂纹面相互作用(crack surface interference, CSI),因此通过在循环应力应变场中引入修正因子Mslj后可近似得到对应疲劳载荷作用下的有效循环场和有效CPZ尺寸；在有效CPZ内,基于Ⅱ型裂纹尖端区的有效循环应力应变场及PSED和Miner的LDA两种疲劳失效准则分别建立了基于材料纯扭LCF临界损伤律预测Ⅱ型FCG速率的理论模型(即用于Ⅱ型裂纹寿命评估的Shi-Cai模型)。通过2024-T351和7075-T6两种铝合金材料的FCG速率试验数据与模型预测结果的对比和分析,验证了Shi-Cai模型的预测精度。基于Shi-Cai模型还分别给出了上下各偏移50%幅度对应的Ⅱ型FCG速率的预测结果,结果表明两种铝合金材料的FCG数据均包含在该范围内。4.依据弹塑性断裂力学(elastic-plastic fracture mechanics, EPFM)中的能量原理推导和建立了台阶型紧凑拉伸(load line compact tension, LLCT)试样和直通型紧凑拉伸(FFCT)试样几何因子之间的关联,并提出了基于FFCT试样确定材料JR曲线的LS测试技术；同时,针对标准的LLCT试样、单边弯曲(single edge bend, SEB)试样及所发展的FFCT试样,利用VB (visual basic)语言开发了基于试验手段获取材料JR曲线的J-LST (J-load separation theory)分析软件,并将软件与标准方法计算结果进行了对比和讨论。基于所建立的FFCT试样断裂理论,采用1/2T FFCT试样获得了A508-Ⅲ钢材料在“S”和“X”两个方向对应的JR曲线。除此之外,考虑FFCT与LLCT试样试验测试的裂纹张开位移(crack opening displacement, COD)相关性,建立了采用迭代方法分析单调拉伸下FFCT试样的载荷～位移试验数据获取材料断裂韧性的新方法。