材料、零件和構件在迴圈應力或迴圈應變作用下，在某點或某些點逐漸產生局部的、永久的結構變化，並在一定迴圈次數後形成裂紋或繼續擴展直到完全斷裂的現象。19世紀40年代，承受迴圈應力的機車車軸，在低於屈服極限的應力下破壞引起瞭人們的註意，並開始用“疲勞”一詞來描述這種破壞。20世紀初，人們用顯微鏡觀察試樣時發現在迴圈應力作用下晶體中產生滑移線，並逐漸變深變寬形成滑移帶，並在某個晶體上首先出現裂紋，再在晶體之間連成一個長的連續裂紋，最後導致破壞。據統計，大多數機械械零件是由於疲勞產生斷裂破壞的。在機械工程中最常見的是高周疲勞，此外還有低周疲勞、接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞和腐蝕疲勞等。

　　高周疲勞　指低應力（低於材料屈服極限或彈性極限）、高壽命（循環周次一般為107次）的疲勞。突然性、高度局部性以及對存在於材料內部和外部的各種缺陷的敏感性是高周疲勞破壞的特點。高周疲勞破壞的宏觀斷口是脆性的，無明顯的塑性變形。在斷口上能明顯地觀察到疲勞源、光滑的或貝殼狀的疲勞裂紋擴展區和粗糙的瞬斷區（圖1）。貝殼狀擴展區的痕跡是裂紋前沿在逐次擴展中形成的。擴展區與瞬斷區的相對比例、疲勞源的數目和斷口形貌與名義應力、應力集中和使用環境有密切關系。根據斷口的外貌特征可以推知應力水平、應力狀態和應力集中情況。

　　低周疲勞　在局部循環塑性應變作用下，循環周次一般低於104～105次循環的疲勞，也稱塑性疲勞或應變疲勞。如在壓力容器、炮筒和飛機起落架等高應力水平的零件中，其應力集中區的峰值應力進入塑性區常產生低周疲勞。材料在經受循環應變後有3種不同的情況：循環硬化、循環軟化和穩定狀態。循環硬化是在恒應變幅度下材料的應力幅度逐漸增大，或是在恒應力幅度下材料的應變幅度不斷減小。循環軟化恰恰相反。穩定狀態是在恒應變幅度下既不發生循環硬化，也不發生循環軟化。材料中發生循環硬化還是循環軟化，取決於材料的原始狀態、結構特征、應變幅度和溫度等。低周疲勞用應變-壽命曲線來表示（圖2）。若材料為彈性應變，得到一條

彈性應變壽命曲線；材料為塑性應變，得到一條 塑性應變壽命曲線。既有彈性應變又有塑性應變時，可得到一條 曲線。△ ε e為彈性應變幅度，△ ε p為塑性應變幅度，△ ε t為總應變幅度， N f為反復數，即半循環數， 2 N f為循環數，即壽命。前兩條曲線存在一個交點，它對應的壽命 2 稱為過渡壽命。對於不同性能的材料， 2 有較大的差別。一般地，強度提高使 2 左移，而塑性、韌性提高則使 2 右移。高周疲勞與低周疲勞的區分，主要取決於△ ε e與 △ ε p的相對比例。在低周疲勞范圍內△ ε p起主導作用；在高周疲勞范圍內則△ ε e起主導作用。

　　接觸疲勞　零件在高接觸壓應力反復作用下產生的疲勞，經過多次應力循環後，零件的工作表面局部區域產生小片或小塊金屬剝落，形成麻點或凹坑。接觸疲勞使零件工作時噪聲增加、振幅增大、溫度升高、磨損加劇，最後導致零件不能正常工作而失效。在滾動軸承、齒輪、鋼軌、凸輪和軋輥等零件中常產生這種現象。按引起疲勞剝落初始裂紋的位置，接觸疲勞可分為麻點剝落和表層壓碎剝落兩種類型。麻點剝落型接觸疲勞破壞的裂紋首先在接觸表面產生，表面壓應力是表面裂紋形成的主要原因。表層壓碎剝落型接觸疲勞破壞的初始裂紋，一般始於接觸表面下，表層以下的切應力對裂紋的產生和擴展起著決定性作用。實際使用經驗和試驗表明，對於接觸應力較小、摩擦力較大、表面質量較差的接觸疲勞破壞，大多數為疲勞麻點剝落類型；反之為多屬表層壓碎剝落類型。但同一種零件在同樣工作條件下也可能同時出現兩種剝落類型。

　　高溫疲勞　在高溫環境下承受循環應力時所產生的疲勞。高溫一般指再結晶以上的溫度。因此高溫疲勞在考慮疲勞的同時，必須考慮高溫蠕變的影響。高溫下的疲勞曲線顯示出隨著循環次數的增加疲勞強度不斷的下降，而沒有一個恒定值，一般用107～108次循環下不出現斷裂的最大應力作為高溫疲勞極限，也稱條件疲勞極限。載荷頻率對於高溫疲勞極限有顯著的影響。當頻率降低時，高溫疲勞極限明顯下降。在一般情況下，高溫時材料的疲勞缺口敏感系數比室溫時低，這是由於高溫下峰值應力區容易產生局部塑性變形。表面加工狀態對高溫下材料疲勞極限的影響，隨著溫度的升高而降低。高溫下材料的尺寸系數要比室溫時的小。強化工藝對高溫疲勞的效果也比室溫時降低。在高溫下承受循環應力的零件，容易受環境介質的腐蝕作用，加快高溫疲勞強度的下降速度。

　　熱疲勞　由溫度變化引起的熱應力循環作用而產生的疲勞。如渦輪機的轉子、熱軋軋輥和熱鍛模等，常由於熱應力的循環變化而產生熱疲勞。熱疲勞破壞也是塑性變形損傷逐漸積累的結果，可以看成是溫度周期變化下的低周疲勞。在熱疲勞中，溫度循環變化的作用，除產生熱應力外還導致材料內部組織的變化，使強度和塑性降低。由於溫度分佈不均勻，在溫度梯度大的部分塑性應變較嚴重，材料的熱疲勞強度比低周疲勞的強度低。當溫度很高時，穿晶斷裂向晶間斷裂過渡，裂紋擴展形態也發生較大的變化。

　　腐蝕疲勞　在腐蝕介質下承受循環應力時所產生的疲勞。如鉆桿和船用螺旋槳、壓縮機和渦輪機的葉片、以及蒸汽管道和水管道等，常產生腐蝕疲勞。腐蝕介質在疲勞過程中能促進裂紋的形成和擴展。腐蝕疲勞與空氣中的疲勞相比有如下幾個特點：①S-N曲線(見疲勞強度設計)無水平段，即不存在無限壽命的疲勞極限，一般采用條件疲勞極限。②破壞從多裂紋源開始，在斷口上有獨特的多齒狀特征。③受加載的頻率的影響很大。④零件表面在腐蝕過程中變色，除不銹鋼和氮化鋼外一般鋼材在水中有表面鐵銹生成。金屬的腐蝕疲勞強度主要是由腐蝕環境的特性決定的，與金屬的強度極限無關，因此提高零件腐蝕疲勞強度的有效措施，是采用表面強化工藝和防腐。

參考書目

　徐灝：《疲勞強度設計》，機械工業出版社，北京，1981。