国际标准化组织（ISO）1964年给出了明确的定义：金属材料在应力和应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳，一般情况下特指导致开裂和破坏的性能变化。

 

    虽然上述定义仅提及了金属材料，但它对非金属材料也是同样适用的。疲劳失效对于工程结构的安全可靠性具有极大的影响。在材料领域，疲劳也是衡量材料性能的重要指标之一。

    据数据显示，各种机械中，疲劳失效的零件占失效零件的60~70%。疲劳断裂失效原则上属于低应力脆断失效，疲劳中难以观察到明显的塑性变形，因为这是以局部塑性变形为主，且主要发生在结构的固有缺陷上。虽然频率对疲劳失效有一定影响，但多数情况下疲劳失效主要与循环次数有关。

   

   

              

   

   

    2021年2月20日，一架波音777-200客机在起飞4分钟后，右发动机爆炸燃烧，导致外部整流环脱落。所幸飞机紧急迫降成功才没有造成人员伤亡。初步原因分析，是引擎内风扇叶片金属疲劳引起的这场事故。

    工程中还有很多疲劳失效的例子，如齿轮、曲轴等在循环载荷作用下的疲劳断裂。

   

   

   

   

     
   

   

   

   

   

   

    金属疲劳有以下几个特点：

    1）所受的载荷是变化的；

    2）所受载荷作用的时间较长；

    3）断裂并不是慢慢断裂的，而是瞬间发生；

    4）无论材料本身是塑性还是脆性的，疲劳断裂区都是脆性的。

    根据疲劳失效的应力特点、循环周次、工件的工作环境、载荷性质等，其分类如下图所示。

    疲劳对金属表面的缺陷十分敏感,例如应力集中、缺口、裂纹、组织缺陷等。疲劳裂纹大多产生于金属表面存在缺陷的薄弱区,接着裂纹不断扩展,当裂纹扩展到一定程度,金属零件就会突然断裂。

    疲劳断裂过程包括疲劳裂纹的萌生、裂纹扩展和瞬时断裂

   

疲劳裂纹的萌生

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    大量研究表明，疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷、工艺缺陷等。金属构件由于受到交变负荷的作用；金属表面晶体在平行于最大切应力平面上产生无拘束相对滑移，产生了一种复杂的表面状态，常称为表面的“挤出”和“挤入”现象，当金属表面的滑移带形成尖锐而狭窄的缺口时，便产生疲劳裂纹的裂纹源。

   

疲劳裂纹的扩展

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    疲劳裂纹扩展的第一阶段为切向扩展阶段，裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈45°方向的滑移面扩展。疲劳裂纹扩展的第二阶段为正向扩展阶段。在交变应变作用下，疲劳裂纹从原来与拉伸轴呈45°的滑移面，发展到与拉伸轴呈90°。即由平面应力状态转变为平面应变状态，这一阶段中最突出的显微特征是存在大量的、相互平行的条纹，称为“疲劳辉纹”。

   

瞬时断裂

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    疲劳裂纹在第二阶段扩展到一定深度后，由于剩余工作截面减小，应力逐渐增加，裂纹加速扩展。当剩余面积小到不足以承受负荷时，在交变应力作用下，即发生突然的瞬时断裂，其断裂过程同单调加载的情形相似。疲劳断裂与其他一次负荷断裂有所区别，它是一种累进式断裂。

    引起结构疲劳断裂的原因大致如下：

   

零件的结构形状

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    零件的结构形状不合理，主要表现在该零件中的最薄弱的部位存在转角、孔、槽、螺纹等形状的突变而造成过大的应力集中，疲劳微裂纹最易在此处萌生。

   

表面状态

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    不同的切削加工方式（车、铣、刨、磨、抛光）会形成不同的表面粗糙度，即形成不同大小尺寸和尖锐程度的小缺口。这种小缺口与零件几何形状突变所造成的应力集中效果是相同的。由于表面状态不良导致疲劳裂纹的形成是金属零件发生疲劳断裂的另一重要原因。

   

材料及其组织状态

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    材料选用不当或在生产过程中，由于管理不善而错用材料造成的疲劳断裂也时有发生，金属材料的组织状态不良是造成疲劳断裂的常见原因。一般的说，回火马氏体较其它混合组织，如珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体具有更高的疲劳抗力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织相对含量的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。组织的不均匀性，如非金属夹杂物、疏松、偏析、混晶等缺陷均使疲劳抗力降低而成为疲劳断裂的重要原因。

   

装配与联接效应

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    装配与联接效应对构件的疲劳寿命有很大的影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上。容易出现的问题是，认为越大的拧紧力对提高联接的可靠性越有利，使用实践和疲劳试验表明，这种看法具有很大的片面性。

   

使用环境

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    环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢（0.28％C，11.5％ Ni，0.73％Cr），淬火并回火状态下在海水中的条件下疲劳强度大约只是在大气中的疲劳极限的20％。

    预防疲劳的方法有：

    零件的形状、尺寸要合理，因避免尖角、缺口、截面突变，因为这些地方容易引起应力集中而导致疲劳裂纹；如果伴随着尺寸的增加，材料的疲劳极限降低；强度越高，疲劳极限下降的越明显。

    降低零件的表面粗糙度，提高金属表面加工质量。因为疲劳源多数位于零件的表面，所以应尽量减少表面缺陷，如氧化、脱碳、裂纹、夹杂等。减少表面加工损伤，如刀痕、磨痕、擦伤等。

    金属表面要进行强化处理，如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸、滚压等都可以有效地提高疲劳强度。这是因为表面强化处理不仅提高了表面疲劳极限，还在材料表面形成了具有一定深度的残余压应力。在工作时，这部分压应力可以抵消部分拉应力，使实际承受的应力降低，从而提高疲劳极限。

    疲劳强度：材料或构件在变载荷作用下抵抗破坏的能力。疲劳强度用来表征材料或构件疲劳性能的好坏，它的高低以疲劳极限来衡量。

    疲劳极限：指金属材料经受无限次循环应力也不发生断裂的最大应力值。由于无限次应力循环后的疲劳试验难以实现,对于一般金属钢材,循环次数取10的7次方。非铁金属取10的8次方。腐蚀介质作用下取10的6次方。

    材料的疲劳极限与材料的抗拉强度有密切关系，随抗拉强度σb的升高而升高，如下图所示。

    疲劳强度可以采用试验方法进行测试。

   

   

   

   

疲劳试验示意图

    以试验中施加的应力幅为纵坐标，以循环次数为横坐标（通常是对数形式），可绘制一条应力与循环次数的关系曲线，如下图所示，该曲线通常也叫S-N曲线。当应力幅低于一定水平时，该曲线趋于水平，该应力幅即为疲劳极限。

    根据疲劳极限来限定结构应力水平，防止结构发生疲劳损坏的方法称为无限寿命设计方法。

    在实际工程中，如果采用无限寿命设计，应力需要限制到较低的水平，这样是不经济的。因此，对于疲劳工作工况并不是很严苛的情况下，通常会采用有限寿命设计方法。有限寿命设计方法的依据是交变应力幅度和循环次数的关系，及S-N曲线。

    S-N曲线：又称应力寿命曲线，是疲劳过程中所施加的应力水平与导致破坏的循环次数即寿命之间的关系曲线。S代表应力水平，可以是循环过程中的最大应力、应力幅等，N表示寿命，可以用线性寿命，也可以用对数寿命。S-N曲线由德人Wohler先提出并使用，所以又被称为Wohler曲线。通常所说的S-N曲线的N是具有50%的保证率的，即所谓的中值疲劳寿命。

   

   

    在S-N曲线中，S表示交变应力幅，即应力循环中应力峰值与应力谷值的一半。

    虽然交变应力幅决定着循环次数，但在应力循环中，其平均应力也会对循环次数有影响，因此试验做出来的S-N曲线还需要进行修正才能进行使用（很多设计规范已经考虑了这些影响，设计人员不必为此烦恼，可以直接查询S-N曲线）。

    S-N曲线的使用方法大致如下：

    1）根据循环载荷Pi计算交变应力幅Si。

    2）利用Si查取S-N曲线，获取相应应力幅下的许用循环次数Ni。

    3）统计Pi的实际循环次数ni，如果ni<Ni，即该循环载荷作用下疲劳满足要求。

    4）如果有多组Pi，则分别计算ni/Ni，所有ni/Ni相加小于1，即在这些循环载荷作用下疲劳满足要求。