1.疲劳破坏特征
工程构件，如：气锤的锤杆、钢轨及螺圈弹簧等，长期处于交变应力下，在最大工作应力远远低于材料的屈服强度，而且没有明显破坏征兆的情况下会发生骤然的破坏，这种破坏称为疲劳破坏。
疲劳破坏与静应力破坏明显不同，有如下特征：
（1）构件内的工作应力远远低于静荷载下材料的极限强度或屈服强度。
（2）破坏前没有明显的塑性变形。
（3）破坏断口表面呈现两个截然不同的区域，光滑区和粗糙区。
（4）疲劳破坏的发生需要有一个过程，即需要经过一定数量的应力循环。
2.疲劳破坏机理
较早的经典理论认为，金属材料中最不利位置的晶粒在最大交变切应力的作用下，当应力超过一定水平时，其原子晶格开始发生剪切与滑移，逐渐形成滑移带。随着应力循环次数的增加，滑移带变宽并不断延伸。这样的滑移带可以在某个滑移面上产生初始疲劳裂纹，也可以逐步积累，在零件或构件表面形成切口样的凸起或凹陷，在切口尖端处由于应力集中，而形成初始疲劳裂纹。对于有些构件，由于设计不当造成的应力集中区域或材质存在缺陷的部位，也有可能在正常工作应力水平下产生微观初始疲劳裂纹。这一阶段称为裂纹萌生阶段。初始疲劳裂纹最初只在单个晶粒中发生，然后滑移扩展到若干晶粒，在交变应力的作用下缓慢稳定发展，直至裂纹尺寸达到某一临界值，这一阶段称为裂纹扩展阶段。当裂纹尺寸达到临界尺寸后裂纹快速扩展而断裂，这一阶段持续时间非常短，称为断裂阶段。
近年来，新的疲劳理论认为疲劳起源是由于位错运动所引起的。位错是指金属原子晶格的某些空穴、缺陷或错位。微观尺度的塑形变形就能引起位错在晶子间运动。从这个意义上讲，可以认为位错通过运动聚集在一起，便形成了初始的疲劳裂纹。这些裂纹长度一般为10－7～10－4 m的量级，故称为微裂纹。形成微裂纹后，在微裂纹处又形成新的应力集中，在这种应力集中和应力反复交变的条件下，微观裂纹不断扩展、相互贯通，形成较大的裂纹，其长度大于0.1mm时能为裸眼所见，故称为宏观裂纹。再经过若干次应力循环后，宏观裂纹继续扩展，致使截面削弱，类似在构件上形成尖锐的切口，这种切口造成的应力集中使局部区域内的应力达到最大数值。结果导致在较低的工作应力下构件发生破坏。
图8.6 疲劳破坏断面上三个不同区域
根据以上分析，由于裂纹的形成和扩展需要经过一定的应力循环次数，因而疲劳破坏需要经过一定的时间。由于宏观裂纹的扩展，在构件上形成切口，在切口附近形成局部应力集中，而且使局部材料处于三向拉伸应力状态，在这种应力状态下，即使塑形很好的材料也会发生脆性断裂，因此疲劳破坏没有明显的塑形变形。此外，在裂纹扩展过程中，由于应力反复交变，裂纹时张时合，类似研磨过程，从而形成疲劳断口上的光滑区，而断口上的颗粒状区域则是脆性断裂的粗糙区。因此最后疲劳破坏时，破坏断面上会呈现三个不同的区域，如图8.6所示。
（1）疲劳裂纹源区，初始裂纹由此扩展。
（2）光滑区，有明显的条纹，类似被海浪冲击后的海滩模样，它是由裂纹的传播形成的。(www.xing528.com)
（3）粗糙区，裂纹的瞬间断裂形成。
3.疲劳极限与应力—寿命曲线
金属材料在交变应力下的疲劳强度，除与材料本身的材质有关外，还与变形形式、应力比和应力循环次数有关。材料在交变应力下的疲劳强度可用疲劳试验来测定，如材料在对称循环弯曲交变应力时的疲劳强度可按《金属旋转弯曲疲劳试验方法》（GB 4337—1984）来测定。试验结果表明试样所受交变应力中的最大应力越高，疲劳破坏所经历的循环次数越低。试样疲劳破坏时所经历的应力循环次数，称为材料的疲劳寿命。
通过测定一组承受不同最大应力试样的疲劳寿命，可绘出材料在交变应力下的应力—疲劳寿命曲线，简称S—N曲线，（S代表最大正应力σmax或最大切应力τmax，N代表疲劳寿命）。如图8.7为40Cr钢在对称循环外弯曲交变应力下的S—N曲线。可见，当最大应力降低至某一值后，S—N曲线趋于水平，低于这一值后材料可以经历无数次应力循环而不发生疲劳破坏，将这一最大应力值σmax称作材料的疲劳极限，用σr表示，下标r代表交变应力的应力比，如：对称循环r＝－1，材料的弯曲疲劳极限就记为σ－1。对于常用的低碳钢材料，其拉伸强度极限为σb＝400～500MPa；在对称循环弯曲交变应力下的疲劳极限为（σ－1）b＝170～220MPa；而在对称循环拉－压交变应力下的疲劳极限（σ－1）t＝120～160MPa。
图8.7 40Cr钢S—N曲线
S—N曲线表明当交变最大应力低于试样疲劳强度时，试样经历无穷多次循环而不发生破坏，但无穷多次应力循环在试验中是很难实现的，因此工程设计中规定，对于S—N曲线有水平渐进线的材料（如结构钢），若经历107应力循环而不破坏，即认为可承受无数次循环；对于S—N曲线中没有水平渐近线的材料（如铝合金），规定某一循环次数（如2×107）不破坏时的最大应力作为疲劳极限。
4.影响疲劳寿命的因素
光滑试样的疲劳极限并不是零件的疲劳极限，零件的疲劳极限受很多因素的影响，主要与下列因素有关：
（1）应力集中。在构件或零件截面形状和尺寸突变处（如阶梯轴肩圆角、开孔、切槽等），局部应力远远大于按一般理论公式算得的数值，这种现象叫应力集中。显然应力集中的存在不仅有利于初始疲劳裂纹的形成，而且有利于裂纹的扩展，从而降低零件的疲劳极限。
图8.8 尺寸对疲劳极限的影响
（2）零件尺寸的影响。疲劳试验表明，同样条件下试样的直径越大，疲劳极限反而越小，而且对于钢材，强度越高，疲劳极限下降越明显。尺寸引起疲劳极限的原因主要有以下几种：①毛坯质量因尺寸而异，大尺寸毛坯所包含的缩孔、裂纹、夹杂物等要比小尺寸毛坯多；②大尺寸零件表面积和表层体积都比较大，而裂纹源一般都在表面或表面层下，故形成疲劳源的概率也比较大；③应力梯度的影响，如图8.8若大小零件的最大应力均相同，在相同的表层厚度内，大尺寸零件的材料所承受的平均应力要高于小尺寸零件，这些都有利于初始裂纹的形成和扩展，因而导致疲劳极限降低。
（3）表面加工质量。零件承受弯曲或扭转时，表层应力最大，对于几何形状有突变的拉压构件，表层处也会出现较大的峰值应力。因此表面加工质量将会直接影响裂纹的形成或扩展，从而影响零件的疲劳极限。
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