疲勞是材料（金屬）承受循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變作用時(shí)，結(jié)構(gòu)性能下降，并最終導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象。疲勞失效是最常見的失效形式之一。根據(jù)文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)顯示，各種機(jī)械中，疲勞失效的零件占失效零件的60~70%。疲勞斷裂失效原則上屬于低應(yīng)力脆斷失效，疲勞中難以觀察到明顯的塑性變形，因?yàn)檫@是以局部塑性變形為主，且主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)的固有缺陷上。雖然頻率對疲勞失效有一定影響，但多數(shù)情況下疲勞失效主要與循環(huán)次數(shù)有關(guān)。

      一般把材料與結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞損傷前的強(qiáng)度定義為“疲勞極限”。

      是指重復(fù)沖擊載荷所引起的疲勞。當(dāng)沖擊次數(shù)N小于500~1000次即破壞時(shí)，零件的斷裂形式與一次沖擊相同；當(dāng)沖擊次數(shù)大于10⁵次時(shí)的破壞，零件斷裂屬于疲勞斷裂，并具有典型的疲勞斷口特征。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，當(dāng)沖擊次數(shù)大于100次時(shí)，用類似于疲勞的方法計(jì)算強(qiáng)度。

     零件在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生局部永久性累計(jì)損傷，經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后，接觸表面發(fā)生麻點(diǎn)、淺層或深層剝落的過程，稱為接觸疲勞。接觸疲勞是齒輪、滾動軸承和凸輪軸的典型失效形式。

      由于溫度循環(huán)產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力所導(dǎo)致的材料或零件的疲勞稱為熱疲勞。溫度循環(huán)變化導(dǎo)致材料體積循環(huán)變化，當(dāng)材料的自由膨脹或收縮受到約束時(shí)，產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力或循環(huán)熱應(yīng)變。

      產(chǎn)生熱應(yīng)力情況主要有兩種：

      ?零件的熱脹冷縮受到固持零件的外加約束而產(chǎn)生熱應(yīng)力；

     ?雖然沒有外加約束，但兩件各部分的溫度不一致，存在著溫度梯度，導(dǎo)致各部分熱脹冷縮不一致而產(chǎn)生熱應(yīng)力。

     溫度交變作用，除了產(chǎn)生熱應(yīng)力外，還會導(dǎo)致材料內(nèi)部組織變化，使強(qiáng)度和塑性降低。熱疲勞條件下的溫度分布不是均勻的，在溫度梯度大的地方，塑性變形嚴(yán)重，熱應(yīng)變集中較大；當(dāng)熱應(yīng)變超過彈性極限時(shí)，熱應(yīng)力與熱應(yīng)變就不呈線性關(guān)系，此時(shí)求解熱應(yīng)力就要按彈塑性關(guān)系處理。熱疲勞裂紋從表面開始向內(nèi)部擴(kuò)展，方向與表面垂直。

      熱應(yīng)力的大小與熱脹系數(shù)成正比，熱脹系數(shù)越大，熱應(yīng)力越大。所以在選材時(shí)要考慮材料的匹配，即不同材料熱膨脹系數(shù)的差別不能太大。在相同的熱應(yīng)變條件下，材料的彈性模量越大，熱應(yīng)力就越大；溫度循環(huán)變化越大，即上下限溫差越大，則熱應(yīng)力就越大；材料的熱導(dǎo)率越低，則快速加速或冷卻過程中，溫度梯度越陡，熱應(yīng)力也越大。

     腐蝕介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力（應(yīng)變）的復(fù)合作用所導(dǎo)致的疲勞稱為腐蝕疲勞。腐蝕介質(zhì)與靜應(yīng)力共同作用產(chǎn)生的腐蝕破壞稱為應(yīng)力腐蝕。兩者的區(qū)別在于，應(yīng)力腐蝕只有在特定的腐蝕環(huán)境中才發(fā)生，而腐蝕疲勞在任何腐蝕環(huán)境及循環(huán)應(yīng)力復(fù)合作用下，都會發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。應(yīng)力腐蝕開裂，有一個(gè)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI≤KISCC，就不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂；而腐蝕疲勞不存在臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，只要在腐蝕環(huán)境中有循環(huán)應(yīng)力繼續(xù)作用，斷裂總是會發(fā)生的。

     腐蝕疲勞與空氣中的疲勞區(qū)別在于，腐蝕疲勞過程中，除不銹鋼和滲氮鋼以外，機(jī)械零部件表面均變色。腐蝕疲勞形成的裂紋數(shù)目較多，即呈多裂紋。腐蝕疲勞的S-N曲線沒有水平部分，因此，對于腐蝕疲勞極限，一定要指出是某一壽命下的值，即只存在條件腐蝕疲勞極限。影響腐蝕疲勞強(qiáng)度的因素要比空氣中疲勞多而且復(fù)雜，如在空氣中，疲勞試驗(yàn)頻率小于1000HZ時(shí)，頻率基本上對疲勞極限沒有影響，但腐蝕疲勞在頻率的整個(gè)范圍內(nèi)都有影響。

      當(dāng)一個(gè)材料或機(jī)械部件失效時(shí)，總壽命通常由三部分組成：

     金屬材料的疲勞主要有以下幾種：

      隨著平均應(yīng)力（統(tǒng)計(jì)應(yīng)力）的增加，材料的動態(tài)抗疲勞應(yīng)力降低。對于同一屬性的力，平均應(yīng)力σm越大，則給定壽命的應(yīng)力幅σa就越小。

      由于工作條件或加工工藝的要求，零件常帶有臺階、小孔、鍵槽等，使截面發(fā)生突然變化，從而引起局部的應(yīng)力集中，這將顯著地降低材料的疲勞極限，但實(shí)驗(yàn)表明，疲勞極限降低的程度并不是與應(yīng)力集中系數(shù)成正比。但如果要準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)械部件的疲勞行為，就必須估計(jì)高應(yīng)力區(qū)或者含制造缺陷的裂紋萌生壽命。

      文獻(xiàn)研究指出，探討殘余應(yīng)力對金屬疲勞強(qiáng)度的影響，需在高周疲勞下才有意義，因?yàn)榈椭芷诘母邞?yīng)變幅下殘余應(yīng)力將大幅度地松弛，所以在低周疲勞下顯示不出多大的作用。表層殘余壓應(yīng)力對于承受軸向載荷且疲勞裂紋起源于表面的零部件是有益的，但要注意核心部區(qū)域的殘余拉應(yīng)力疊加外載后發(fā)生屈服所引起的殘余應(yīng)力松弛問題。殘余應(yīng)力對零件缺口疲勞強(qiáng)度的作用十分顯著，這是由于殘余應(yīng)力也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象和殘余應(yīng)力對疲勞裂紋擴(kuò)展的影響更大的緣故。但殘余應(yīng)力的應(yīng)力集中不僅與缺口幾何因素有關(guān)，還與材料特性有關(guān)。

     材料的疲勞極限σ-1值通常是用小試樣測定的，試樣直徑一般在7~12mm，而實(shí)際構(gòu)件的截面往往大于該尺寸。試驗(yàn)指出，隨著試樣直徑的加大，疲勞極限下降。其中，強(qiáng)度高的鋼比強(qiáng)度低的鋼下降的快。

      構(gòu)件表面是疲勞裂紋核心易于產(chǎn)生的地方，而承受交變彎曲或交變扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的構(gòu)件，表面應(yīng)力最大。構(gòu)件表面的粗糙度、機(jī)械加工的刀痕都會影響疲勞強(qiáng)度。表面損傷（刀痕、磨痕等）本身就是表面缺口，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使其疲勞極限降低，且材料強(qiáng)度越高，缺口敏感性越顯著，加工表面質(zhì)量對疲勞極限的影響就越大。

      金屬材料的疲勞性能還受到周圍液相或氣相等環(huán)境的影響。腐蝕疲勞是指金屬材料在腐蝕介質(zhì)和循環(huán)載荷交互作用下的響應(yīng)，它通常多用于描述水相環(huán)境下材料的疲勞行為。腐蝕疲勞、低溫疲勞、高溫疲勞，不同氣壓環(huán)境、濕度環(huán)境等都是材料與環(huán)境因素共同作用下的疲勞現(xiàn)象。

     不同載荷下疲勞極限的大小順序?yàn)椋盒D(zhuǎn)彎曲＜平面彎曲＜壓縮載荷＜扭轉(zhuǎn)載荷。在腐蝕介質(zhì)中，加載頻率的裂紋擴(kuò)展的作用比較明顯。在室溫和試驗(yàn)環(huán)境下中，常規(guī)頻率 (0.1~100HZ) 對鋼和黃銅的裂紋擴(kuò)展幾乎沒有任何影響。在試驗(yàn)中一般而言，如果試驗(yàn)加載頻率低于250HZ，頻率對金屬材料的疲勞壽命的影響就較小。

    裂紋多萌生于表面，如在焊縫（孔眼）、鑄鋼（疏松）或次表面上（大夾雜改變了局部應(yīng)變場），而很少在內(nèi)部萌生。裂紋萌生還取決于夾雜的數(shù)量、尺寸、性質(zhì)和分布，同時(shí)也與外力的加載方向有關(guān)。此外，夾雜與基體的結(jié)合強(qiáng)度也不容忽視。顯微裂紋是百萬周次壽命材料中最危險(xiǎn)的缺陷，顯微曲線則是控制著10億周次壽命材料的壽命。由于微觀尺寸下材料內(nèi)部存在缺陷的幾率遠(yuǎn)大于材料表面，因此超高周疲勞加載時(shí)內(nèi)部萌生裂紋的幾率自然大于表面。

      脆性材料不存在應(yīng)力降低或加工硬化現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)缺口，在較小的名義應(yīng)力條件下就可能發(fā)生斷裂。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)存在缺口時(shí)，金屬的疲勞極限降低，并且塑性越差，缺口對疲勞極限的影響越大。

     文獻(xiàn)中指出，在疲勞試驗(yàn)試樣的制備過程應(yīng)是導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性最重要的環(huán)節(jié)，如車、銑和校直等機(jī)械加工方式都與試樣的最終制備質(zhì)量有關(guān)。正是由于制備方式和熱處理因素會影響材料的疲勞性能，尤其是熱處理的影響較大，因而即使是同一批次和尺寸、形貌完全相同的試驗(yàn)也很難完全重復(fù)以前的疲勞試驗(yàn)結(jié)果。由此可見，工件的生產(chǎn)加工因素會導(dǎo)致零部件的實(shí)際疲勞壽命偏離分析計(jì)算的期望壽命值。

     高周疲勞強(qiáng)度（N＞10⁶時(shí)）與材料的硬度有關(guān)，而對于中低周疲勞，韌性是一種重要指標(biāo)。在高應(yīng)力條件下，高強(qiáng)度鋼由于韌性較差，其疲勞性能較低，而低應(yīng)力情況下，則具有較好的抗疲勞性能。低強(qiáng)度鋼與之相反，中強(qiáng)度鋼居中。一般說來彈性模量越高，裂紋擴(kuò)展速率越低。晶粒尺寸的影響對裂紋擴(kuò)展的影響僅存在于兩種極端擴(kuò)展的情況：△K→△Kth和△Kmax→△KC，對中速裂紋擴(kuò)展特性沒有明顯的影響。斷裂韌性KIC（或KC）與擴(kuò)展速率是相互聯(lián)系的。一般認(rèn)為，材料韌性的增加會降低裂紋的擴(kuò)展速度。

     試驗(yàn)設(shè)備和試樣本身是造成疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)（或結(jié)果）離散性的根本原因。據(jù)文獻(xiàn)中分析介紹，在測定零構(gòu)件的疲勞壽命時(shí)，名義載荷相對實(shí)際載荷有3%的誤差，就會使疲勞壽命產(chǎn)生60%的誤差，極端情況可能會導(dǎo)致120%的壽命誤差。而對于疲勞試驗(yàn)機(jī)來說，3%誤差是完全允許的。不過文中也提到，在靜力破壞試驗(yàn)中，即使對強(qiáng)度分散性較大的鑄造材料和玻璃等，也不像疲勞壽命那樣存在嚴(yán)重的分散性。

     疲勞試驗(yàn)結(jié)果的離散性與材料屬性有關(guān)，具體有：材料內(nèi)部的固有特性；試驗(yàn)的制備過程，試驗(yàn)的外部環(huán)境。其中，試驗(yàn)制備過程是導(dǎo)致數(shù)據(jù)離散性最重要的環(huán)節(jié)，尤其是熱處理。材料內(nèi)的夾雜和第二相顆粒等是造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散的本質(zhì)原因，目前其作用機(jī)制仍不十分清楚。

      對于鋼材料，在缺少材料的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可由材料的拉伸強(qiáng)度極限做出近似的S-N曲線。把疲勞極限與拉伸強(qiáng)度和試樣斷裂伸長率聯(lián)系起來是具有較高精度的一種估算方法。

      在材料與結(jié)構(gòu)的疲勞分析中，要優(yōu)先從試驗(yàn)中得到結(jié)論而不是盲目地相信彈塑性計(jì)算，唯有如此，才能確保數(shù)據(jù)的可靠性。