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2.2疲劳现象及特点5...
2.3疲劳断口宏观特征5..
3疲劳过程及机理6...
3.1疲劳裂纹萌生过程及机理6..
3.2疲劳裂纹扩展过程及机理7..
4疲劳影响因素及应对措施8..
4.1疲劳强度影响因素8..
4.2提高疲劳强度的措施9..
5结束语1..0.
1绪论
1.1疲劳及断裂力学发展
日内瓦的国际标准化组织（ISO）在1964年发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中给疲劳下了一个描述性定义：
“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能叫疲劳”。
金属材料和构件的断裂，绝大部分属于疲劳断裂。
材料的疲劳不仅是所有运动物体的一个共同性问题，对某些显然是静止的物体，只要它承受循环力或循环变形，就会因为疲劳而发生破坏。
疲劳裂纹扩展是累计损伤的过程，包括金属在内的任何材料加工而成的机构或设备，在载荷反复作用下，机械结构的50%~90%都会发生疲劳破坏。
由于材料的破坏行为和静力相比有着本质的区别，使得材料的疲劳问题成为备受关注的问题之一。
科学的研究方法对正确认识疲劳问题具有至关重要的意义。
经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。
现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。
1.2疲劳与断裂力学的关系
疲劳学研究重复载荷及材料及结构的疲劳强度及疲劳寿命问题。
断裂力学研究带裂纹体的强度问题。
疲劳破坏过程是从原子尺寸，晶粒尺寸到大型结构尺寸，跨越十几个量级的十分复杂的过程，疲劳破坏过程按裂纹扩展过程可以大致分为几个阶段。
（1）亚结构和显微结构发生变化，从而形成永久损伤形核。
（2）产生微观裂纹。
（3）微观裂纹长大和合并，形成“主导”裂纹。
一般认为，这一阶段的疲劳通常是裂纹萌生与扩展之间的分界线，即疲劳与断裂力学的分界岭。
（4）主导宏观裂纹的稳定扩展。
5）结构失去稳定性或完全断裂
1.3疲劳设计方法
根据处理裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段的不同定量处理，工程中运用疲劳学和断裂力学形成不同方法。
分别是疲劳法—安全寿命法、损伤容限法、“安全-寿命”和“失效-安全”法。
2疲劳现象及特点
疲劳是在材料在变动载荷循环作用下产生的破坏。
工程中很多机件和构建都是在变动载荷下工作的，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、辊子、叶片及桥梁等，其主要失效形式是疲劳破坏。
2.1变动载荷和循环应力变动载荷是引起疲劳破坏的外力，它是指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷。
在单位面积上的平均值为变动应力。
变动应力可分为规则周期变动应力和无规则周期变动应力两种。
循环应力的波形有正弦波、矩形波和三角波三种，其中常见的为正弦波。
循环应力通常用几个参量来表示：
最大应力（Tmax
最小应力（Tmin
平均应力m=（cmax+（rmin）/2
应力幅a=（dmaxcmin）/2
应力比或循环特性参数R=dmin/dmax
2.2疲劳现象及特点
（1）疲劳的分类。
疲劳可根据不同方法进行分类。
按应力状态不同，可分为弯曲疲劳、扭转疲劳、复合疲劳等；
按环境和接触情况不同，可分为大气疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳、高温疲劳、接触疲劳等；
按循环周期不同，可分为高周疲劳、低周疲劳；
按初始状态情况，可分为无裂纹零件和裂纹零件的疲劳。
（2）疲劳的特点。
疲劳断裂与静载荷或一次冲击加载断裂相比，有以下特点：
a）疲劳是低应力延时断裂，发生在应力水平远小于材料的抗拉强度甚至屈
服强度。
断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，把锅里地寿命长。
当低于某一临界值（门槛值）时，寿命可达无限长。
b）疲劳破坏在宏观上无明显塑性变形，是脆性断裂。
由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以无论是韧性材料还是脆性材料断裂前都不会有明显的塑性变形，它是在长期损伤积累过程中，经裂纹萌生和缓慢扩展到临界尺寸才突然发生的断裂。
因此，是一种潜在的突变型断裂。
c）对材料的缺陷十分敏感。
疲劳破坏常具有局部性质，所以对缺陷有高度的选择性。
缺口的应力集中增大对材料有损伤作用；
组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料局部强度。
因此改变局部设计可以明显延长结构寿命（细节设计）。
d）疲劳断口在宏观和微观上均具有特征，可以借助断口分析判断是否属于疲劳破坏。
2.3疲劳断口宏观特征
疲劳断裂和其他断裂一样，断口保留了断裂的痕迹，具有明显的形貌特征。
这些特征受材料性质、应力状态、应力大小及环境特点等因素影响。
典型疲劳断
口具有三种不同的区域一一疲劳源、疲劳区、瞬断区。
如图1所示。
图1疲劳宏观断口
（1）疲劳源区：
裂纹的萌生地；
裂纹处在亚稳扩展过程中。
由于应力交变，断面摩擦而光亮。
加工硬化。
随应力状态及应力大小的不同，可有一个或几个疲劳源
（2）扩展区：
断面比较光滑，并分布有贝纹线。
循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。
有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）
（3）瞬断区：
一般在疲劳源的对侧。
脆性材料为结晶状断口；
韧性材料有放射状纹理，边缘为剪切唇。
3疲劳过程及机理
疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期Ni和裂纹亚稳扩展期Np所组成。
3.1疲劳裂纹萌生过程及机理
疲劳微裂纹在其形成和扩展过程中，会表现出与宏观裂纹不同的行为，一般来说，疲劳微裂纹长度小于或相当于材料内部细观组织单元（如晶粒、第二相粒子等）尺度，对于光滑的工程材料，疲劳微裂纹总是在自由表面处形成，但是由于受到材料微观组织的影响，微裂纹有着有不同的形核位置和萌生形式。
比如，对于高强度钢，裂纹一般萌生于夹杂物；
对于高强度铝合金，裂纹往往起源于尺度较小的第二相颗粒；
对于一些中、低强度的合金材料，裂纹趋于在滑移带上形成。
尽管短裂纹的萌生方式因材料而异，但其过程都是由表面或近表面处的局部塑性应变中造成的。
（1）驻留滑移带开裂在低强度的金属材料中，疲劳裂纹一般起始于某些滑移带。
与静载荷下出现的滑移带不同，交变载荷下形成的表面滑移带分布不均匀，滑移台阶一般在高应力的局部地区产生。
滑移产生的表面突起经过抛光后虽能暂时消除，但是如果继续循环几个周次，滑移台阶又在原处出现，这称为“驻留滑移带”，它标志着疲劳损伤的开始。
随着不断的循环变形，在材料表面形成了许多的“挤出”和“挤入”。
（2）夹杂物界面开裂在金属材料中，经常不同程度地存在着一些非金属夹杂物和第二相粒子，在交变应力作用下，这些夹杂物或第二相粒子会与基体沿界面分离或者本身发生断裂，这都可能导致疲劳微裂纹的萌生。
（3）晶界开裂
当经受较高的应力/应变幅时，尤其是在高温的情况下，裂纹经常萌生于晶界处。
对于高温下的材料，滑移带到达晶界时，会受到晶界的阻碍，但是载荷的继续作用，使得滑移带在晶界上引起的应变不断增加，造成位错堆积，当位错堆积形成的应力达到理论断裂强度时，晶界就会开裂，形成微裂纹。
材料晶粒尺寸越大，晶界上的应变量和堆积的位错就越大，就越容易形成裂纹。
从晶界萌生裂纹来看，凡使晶界弱化和晶粒粗化因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、回火脆、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹，降低疲劳强度；
反之，凡使晶界强化、净化和细化晶粒的因素，均能抑制晶界裂纹形成，提高疲劳强度。
3.2疲劳裂纹扩展过程及机理
当微裂纹在金属表面附近形成后，即进入扩展阶段，这可以分为两个阶段。
第一阶段是沿着最大剪应力的滑移平面向前扩展，这时表面存在着很多微裂纹，但是大多数裂纹较早地就停止扩展，只有少数几个可延伸到几十个微米（约2~3个晶粒尺寸）的长度范围，扩展速率比较缓慢；
随着裂纹长度的增加，裂纹的扩展方向转向与拉应力方向垂直，这是裂纹扩展的第二阶段，这时通常只有一个裂纹在扩展。
裂纹的第一阶段扩展是由剪应力分量控制的，而第二阶段则由拉应力控制。
与长裂纹相比，微裂纹的扩展行为的主要特点如下：
（1）微裂纹可以在比长裂纹低的名义驱动力下扩展，而且在同样的名义驱动力下，微裂纹具有比长裂纹更高的扩展速率。
（2）微裂纹可以弥散地分布和发展，单位面积上的裂纹数随循环周次增加而增加，当微裂纹密度达到一临界值时将发生裂纹的汇合扩展。
（3）疲劳微裂纹的扩展对微观结构有着强烈的依赖性，因此裂纹的扩展行为具有很大的随机性，最初萌生的裂纹或者初始长度较长的裂纹也并不一定就能生长为主裂纹。
电镜断口分析表明，第二阶段的断口特征是具有呈弯曲并相互平行的沟槽花样，成为疲劳条带（疲劳条纹、疲劳辉纹）。
它是裂纹扩展时留下的微观痕迹，每一条带可以视作一次应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。
疲劳条带是疲劳断口最典型的微观特征。
在失效分析中，常利用疲劳条带间宽与△K的关系来分析疲劳破坏。
但是实际观察不同断口时，并不一定都能看到清晰的疲劳条带。
一般滑移系多的面心立方金属，如Al和Al合金、Cu和Cu合金等，疲劳条带较明显：
而滑移系较少或组织状态比较复杂的钢铁材料，其疲劳条带往往短窄而紊乱，甚至看不到。
应该注意：
疲劳条带和宏观断口的贝纹线并不是一回事，条带是疲劳断口的微观特征，贝纹线是疲劳断口的宏观特征。
4疲劳影响因素及应对措施
4.1疲劳强度影响因素
影响疲劳性能的因素很多，但对疲劳性能影响最大的主要因素有：
（1）组织结构：
一种材料的成分虽然相同，但如果采用不同的热处理制度，则可形成不同的组织结构，如奥氏体和马氏体，这将导致不同的疲劳性能。
一些材料采用表面激光淬火来得到表层马氏体和心部奥氏体的组织，利用表层的高屈服强度和心部韧性，以综合提高构件的疲劳性能。
（2）表面状态：
疲劳失效常从表面开始，一方面这与表面往往承受最大的交变载荷有关；
另一方面表面易于存在加工缺陷或与外界接触产生局部的缺陷。
不同的表面处理可产生不同的疲劳性能，如采用表面强化（喷丸、滚压和挤压等）可显著改善疲劳性能，而脱碳、电镀和阳极化等处理可降低材料或构件的疲劳性能。
不同的机械加工状态导致的表面粗糙度和残余应力不同，也对疲劳性能影响很大。
表面状态主要包括表面粗糙度、表层残余应力等，有时也被称为表面质量。
（3）应力集中：
缺口、圆角或其他几何形状的突然变化都将导致应力集中，从而降低材料的疲劳性能，因此在设计零件时应注意采用适当半径的圆角逐步进行过渡，以确保危险截面的承载能力。
此外，不同材料对应力集中的敏感性不同，一般高强度材料对应力集中比较敏感，因此在选用高强度材料进行替代时，应注意高强度材料的应力集中敏感性，并采用更大半径的圆角进行逐步过渡。
（4）试验条件：
试验的频率、温度、应力比和载荷类型等因素对疲劳性能具有一定的影响。
加载频率对疲劳性能的影响随材料的不同而有所差异。
温度升高一般可使材料的疲劳性能下降，但使应力集中的影响减小。
对于给定的最大载荷，应力比或平均应力越小，疲劳强度越低.
（5）周围环境：
在腐蚀环境的作用下，材料的疲劳强度明显降低，材料的疲劳寿命显著缩短。
这一方面与疲劳裂纹常从局部的腐蚀坑开始有关；
另一方面腐蚀环境常促进新表面的形成，裂纹易于形成和扩展。
4.2提高疲劳强度的措施随着疲劳失效事故的不断出现及其所产生的非常严重的危害，人们逐渐重视疲劳失效事故的发生，并对预防措施进行研究，取得了一些主要的研究成果。
但到目前为止，国内外对疲劳失效的预防技术及零件的寿命管理方法等方面的研究仍很不充分，没有形成一系列完善的抗疲劳设计技术与方法体系、抗疲劳材料选择与应用体系、抗疲劳制造加工工艺技术体系、零件的使用维护与修理等整体管理流程与使用寿命管理体系，因此零件仍然不断出现疲劳失效事故。
从疲劳失效的预防来看，预防措施主要有以下几个方面：
（1）合理的结构设计：
对零件进行设计时，设计人员应该加强对疲劳结构的细节设计，要采用合理的结构形状和适当的过渡区域，来保证零件关键部位所受应力低于疲劳抗力，并给予一定的安全设计系数来考虑疲劳失效的概率性。
在设计阶段不仅应注意构件局部的应力集中，更应注意构件所采用的材料特性，因为材料不同，其疲劳的应力集中敏感性也相差很大。
（2）合适的材料选择：
零件的形状尺寸相同，采用不同的材料来加工制造，其疲劳性能将截然不同，典型的例子是对于飞机起落架，虽然形状相同，但采用强度不同的材料来加工制造，其飞行寿命相差很远。
对不同使用条件下的零件应选择性能相适应的材料，在室温下选择晶粒细小、强度高和韧性好的结构材料比较耐疲劳；
而在高温下选择晶粒适当、组织稳定、强韧性配合较好的结构材料才可提高疲劳寿命。
合适的材料是制造长寿命抗疲劳零件的基础。
（3）适宜的热处理制度：
选择了一定的形状尺寸和合适的材料，对材料进行适宜的热处理显得非常关键。
相同的材料，热处理制度不同，疲劳性能也就完全不同。
（4）可靠的零件加工工艺：
零件的加工质量对其使用寿命的影响很大，相同的材料即使采用相同的热处理制度，但如果选用不同的加工方式进行制造，其疲劳性能也相差很大，尤其是对于高强度结构材料。
可靠稳定的零件加工制造工艺是零件表层质量的保证，没有好的零件加工工艺就得不到好的表面质量，也谈不上高的疲劳性能。
零件加工时要杜绝烧伤、吃刀等工艺所产生的缺陷，并尽量减小加工过程中产生的残余拉应力数值。
（5）适当的表面强化处理：
表面强化工艺技术虽然起源于结构的维护修理，但近年来已被设计单位和工厂作为一种设计技术和制造技术，用于零件的加工、制造与维护等过程。
零件的设计是基础和依据，零件的材料选择是关键的性能支撑，制造工艺是实现加工的手段和可靠性的根本保证，表面强化则是零件表层性能的守护神。
采用合适的表面强化工艺技术处理零件，可使零件不在表面发生疲劳失效，而在表层下的基体处萌生疲劳裂纹，这将充分发挥材料的强度潜力，节省材料的消耗。
5结束语对于疲劳断裂的研究及寿命的估算，在金属和合金中广泛存在，近年来随着多尺度研究方法的深入，以及试验手段和显微技术的提高，人们对疲劳裂纹的产生和扩展机理有了一定的认识，研究得到了较大发展。
但是对于微裂纹的生长和扩展规律、微观尺度多裂纹的交互作用以及微裂纹阶段疲劳寿命评估的研究上都存在不足。
值得注意的是，疲劳微裂纹的计算机仿真作为一种先进的研究手段，正在逐渐为工程科研人员所接受，这也会对金属材料疲劳损伤的研究起到较大的促进作用。
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