金屬疲勞（Metal Fatigue）是指材料、構件在循環應力或循環應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經一定循環次數后產生裂紋或突然發生斷裂的過程。
金屬疲勞所導致的斷裂破壞過程是在載荷持續作用下，裂紋萌生、擴展并最終導致突然斷裂，其最大疲勞應力明顯低于材料開始發生塑性變形的應力，構件或試樣通常在斷裂之前整體上沒有明顯的塑性變形，具有一定的突然性。疲勞破壞在金屬材料構件破壞中占比高于2/3。
金屬疲勞破壞是一個與時間相關的過程，在進行疲勞強度設計時和在構件的實際使用過程中，需要重點關注材料的疲勞壽命，疲勞壽命通常用疲勞斷裂前所經歷的應力循環次數計算。
物理原理
交變應力
大小和方向隨時間發生周期性變化的載荷稱為交變載荷，所引起的應力稱為交變應力。零件長期在交變的機械應力或熱應力下工作，即使最大工作應力小于靜載荷下的屈服極限n，但在長時間工作后也會產生裂紋或斷裂，即產生疲勞破壞。交變應力在最大應力max和最小應力min的極限值之間變化。最大應力與最小應力之和的一半稱為平均應力m，即：m=?（max+min）。最大應力與最小應力之差的一半稱為應力幅值a，即：a=?（max-min）。應力從最大應力值變化到最小應力值，再回到最大應力值的過程稱為一個應力循環。交變應力變化的特點用循環特征系數來表征，它對材料的疲勞強度有直接影響；應力幅值、平均應力大小和循環次數是影響金屬疲勞的三個主要因素。在一個應力循環中，最小應力與最大應力之比稱為循環特征系數，即：=min/max。當=-1時，為對稱循環，即最大應力值與最小應力值相等，方向相反；當=0時，為脈動循環，即最小應力值為零。除=-1的對稱循環以外的應力循環皆稱非對稱循環，包括脈動循環。
疲勞抗力指標
表征零件材料抗疲勞性能的力學參數，主要有：疲勞極限、過載抗力、疲勞缺口敏感度等。
疲勞極限
在交變載荷作用下，材料承受的最大交變應力與斷裂前周數之間的關系如下圖所示：
由max-lgN疲勞曲線可知，材料承受的最大交變應力max越大，循環的周數越少，即壽命越短；反之，N越多，壽命越長。當應力低于某一值時，循環無限次也不會發生疲勞斷裂，該應力稱為材料的疲勞極限。所以，材料的疲勞極限（或稱疲勞強度）是材料經受無限次應力循環的作用而不被破壞的最大應力，用符號1，表示，故對稱循環應力下的疲勞極限用-1表示。材料的疲勞極限是由試驗測定。例如，常溫下的碳鋼、合金結構和鑄鐵，在N達到107后曲線為水平，所以這類材料是以N=107時的最大應力作為疲勞極限。
過載抗力
機器在運轉過程中，常常會出現短時間的過載，相應的零件處于短時間高于其材料的疲勞極限的工作應力狀態。例如，柴油機緊急剎車、起動或超負荷運轉等。為了保證安全運轉，對于偶然短時間過載，應考慮其對材料的疲勞抗力的影響。一般來說，適當過載對材料的疲勞性能沒有什么影響，因其未能引發材料內部微裂紋的顯著擴展。而不適當過載（包括過載的大小和過載循環次數的多少）將會造成過載損傷，降低材料的疲勞極限，導致零件的疲勞破壞。這是由于過載引發了材料內部的微裂紋擴展達到了一定尺寸，在過載后的正常運轉中不斷擴展導致疲勞斷裂。采用疲勞過載抗力來衡量過載工況對零件材料疲勞抗力的影響。過載抗力一般是用通過試驗建立的過載損害區和損害界來表示，如下圖所示：
上圖中的cde為過載損害區，cd為過載損害界。當零件在過載負荷i、循環周數Na下工作，即工作點a在過載損害區以外時，過載對材料的疲勞極限-1無影響，短時間過載后恢復正常運轉，零件也不會發生疲勞破壞；當零件在過載負荷i、循環周數Nb下工作，即工作點b進入過載損害區時，過載就會使材料的-1降低，在恢復正常運轉后，零件將會發生過早的疲勞破壞，縮短零件的疲變勞壽命。由上圖可以看出，材料的過載損害區越狹窄，或過載持久線ed越陡直，則過載抗力越高。過載持久值ed表示在超過疲勞極限的應力下直到斷裂所能經受的最大應力循環周數。由于零件短時間過載不可避免，所以零件選材時宜選用過載損害區狹窄而又陡直的材料。
疲勞缺口敏感度
零件上開有鍵槽、油孔、臺階、螺紋等各種幾何形狀的缺口時，在使用中就會在缺口的根部產生應力集中，使材料的疲勞強度降低。一般采用缺口敏感度表示疲勞強度降低的程度，缺口敏感度q表達式為：q=（Kt-1）/（Kf-1）。
影響因素
零件材料的疲勞強度除與材料本身的成分、組織和表面應力狀態等有關外，還與零件的形狀、尺寸、表面粗糙度和使用條件等有關。
應力集中
由于零件表面上的臺階、鍵槽、油孔或螺紋等截面變化處及零件材料內部的缺陷均會引起應力集中，當應力最大值超過材料的許用應力時就會形成疲勞源，導致疲勞破壞。所以，應力集中是引起疲勞破壞的首要因素。試驗表明，零件表面上缺口引起的應力集中使其疲勞強度降越低，缺口越尖銳，降低得越厲害。
表面狀態和尺寸因素
表面狀態是指零件加工表面的粗糙度、應力狀態、成分和性能的變化等。表面粗糙度越低、表面越粗糙，疲勞強度越低。相同材料不同加工方法，零件的表面粗糙度不同，其疲勞強度也不一樣。例如，鋼、鋁合金粗車后的疲勞強度較拋光后的低10%~20%。零件表面層處于殘余壓應力狀態可有效地提高疲勞強度。采用滾壓、噴丸等表面變形強化工藝可提高零件的疲勞強度。零件疲勞強度還會隨尺寸增大而降低，因為尺寸增大，零件表面積增大，表面缺陷增多，相應增加疲勞破壞的概率。應力集中的大小可用應力集中系數k表示，k為最大正應力與平均正應力之比。
使用條件
機器運轉中，載荷狀況、工作溫度和環境介質等均對零件的疲勞勞強度有很大影響。過載將造成過載損傷使材料的疲勞強度降低。工作溫度升高會使材料的疲勞強度降低；反之會增加。零件在腐蝕性介質中工作時，零件表面被腐蝕形成缺口，產生應力集中而使材料的疲勞強度降低。
疲勞分類
金屬的疲勞根據它所受應力的大小、應力交變頻率的高低可以分為兩類：一類是通常所說的疲勞，它在所受的應力較低而應力交變頻率較高的情況下發生；另一類是低周疲勞，或稱低周大應力疲勞，它在所受的應力較高（一般都接近或高于材料的屈服極限）、應力交變頻率較低的情況下發生。金屬的低周疲勞，斷裂時應力交變次數約在102~105次之間。壓力容器的疲勞破裂絕大部分都屬于低周疲勞。工程上由于金屬低周疲勞而斷裂的機器零件時有發生，如飛機的起落架、潛艇的殼體、發動機的渦輪盤等。
相關區別
疲勞破壞與傳統的靜力破壞有著許多明顯的本質區別：1、靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞，疲勞破壞是多次反復載荷作用下的破壞，它不是短期內發生的，而是要經歷一定的時間，甚至很長時間才發生破壞。2、當靜應力小于屈服極限或強度極限時，不會發生靜力破壞；而交變應力在遠小于靜強度極限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發生。3、靜力破壞通常有明顯的塑性變形產生；疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，哪怕是塑性良好的金屬也這樣，就像脆性破壞一樣，事先不易覺察出來，這就表明疲勞破壞具有更大的危險性。
疲勞特點
1、疲勞為低應力循環延時斷裂，即具有壽命的斷裂，其斷裂應力水平往往低于材料抗拉強度，甚至屈服強度。斷裂壽命隨應力不同而變化，應力高則壽命短，應力低則壽命長，當應力低于疲勞極限時，壽命可達無限長。這種壽命隨應力不同而而變化的關系，可用疲勞曲線來說明。
2、疲勞為脆性斷裂，由于一般疲勞的應力水平比屈服強度低，所以不論是韌性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂前均不會發生塑性變形及有型預兆。它是在長期累積損傷過程中，經裂紋萌生和裂紋緩慢亞穩擴展到臨界尺寸時才突然發生的，因此，疲勞是一種潛在的突發性斷裂，容易造成事故和經濟損失。
3、疲勞對缺陷（缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感。由于疲勞破壞是從局部開始的，所以其對缺陷具有高度的選擇性。缺口和裂紋因應力集中增大對材料的損傷作用，組織缺陷（夾雜、疏松、白點、脫碳等）降低材料的局部強度，二者都會加快疲勞破壞的開始和發展。
4、疲勞斷裂也是裂紋萌生和擴展過程，但因應力水平低，故具有明顯的裂紋萌生和緩慢亞穩擴展階段，相應的斷口上有明顯的疲勞源和疲勞擴展區，這是疲勞斷裂的主要斷口特征。只是在裂紋最后失穩擴展時才形成了瞬時斷裂區，具有一股脆性斷口的放射線、人字紋或結晶狀形貌特征。
過程機理
金屬疲勞過程包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩擴展及最后失穩擴展三個階段，其疲勞壽命Nf由疲勞裂紋萌生期Ni和裂紋亞穩擴展期Np所組成。
疲勞裂紋萌生機理
材料中疲勞裂紋的起始或萌生，也稱為疲勞裂紋成核。疲勞裂紋成核處稱為"裂紋源"。裂紋源通常萌生于高應力處。一般來說，裂紋源通常萌生于構件的表面或缺陷處，通常表面的應力較高(如承受彎曲或扭轉的圓軸，其最大正應力或最大剪應力在截面半經最大的表面處)，后者因為缺陷處的幾何不連續將引起應力集中，應力也較高。研究表明，疲勞微觀裂紋是由不均勻的局部滑移和顯微開裂引起的。主要方式有表面滑移帶開裂；第二相、夾雜物或其界面開裂；晶界或亞晶界開裂等。疲勞裂紋萌生主要包括：1、滑移帶開裂產生裂紋，金屬在循環應力長期作用下，即使是應力低于屈服應力，也會發生循環滑移并形成循環滑移帶。2、相界面開裂產生裂紋，很多疲勞源是由材料中的第二相或夾雜物引起的，便提出了第二相、夾雜物和基體界面開裂，或第二相、夾雜物本身開裂的疲勞裂紋機理。3、晶界開裂產生裂紋，多晶體材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯在某一晶粒內運動會受到晶界的阻礙作用，在晶界處發生位錯塞積和應力集中現象。在應力不斷循環下，晶界處得應力集中得不到松弛，應力峰越來越高，當超過晶界強度時就會在晶界處產生裂紋。
疲勞裂紋擴展過程及機理
疲勞裂紋在高應力處由持久滑移帶成核，是由最大剪應力控制的。形成的微裂紋與最大剪應力方向一致。在循環載荷作用下，由持久滑移帶形成的微裂沿45°最大剪應力作用面繼續擴展或相互連接。此后，有少數幾條微裂紋達到幾十微米的長度，逐步匯聚成一條主裂紋，并由沿最大剪應力面擴展逐步轉向沿垂直于載荷作用線的最大拉應力面擴展。裂紋沿45°最大剪應力面的擴展是第一階段擴展，在最大拉應力面內的擴展是第二階段的擴展。從第一階段向第二階段轉變所對應的裂紋尺寸主要取決于材料和作用應力的水平，但通常都在0.05mm范圍內，即只有幾個晶粒的尺寸。第一階段裂紋擴展的尺寸雖小，但對壽命的貢獻卻很大，對于高強材料尤其如此。
與第一階段相比，第二階段的裂紋擴展更便于觀察。C.Laird觀察了循環應力作用下韌性材料中裂紋尖端幾何形狀的改變，提出了描述疲勞裂紋擴展的"塑性鈍化模型"。隨著循環應力的增加，裂紋逐步張開，裂尖材料由于高度的應力集中而沿最大剪應力方向滑移。應力進一步增大，裂紋充分張開，裂尖鈍化成半圓形，并開創出新的表表面，卸載時已張開的裂紋要收縮，但新開創的裂紋面卻不能消失，它將在卸載引人的壓應力作用下失穩而在裂尖處形成凹槽形。最后，在最大循環壓應力作用下，又成為尖裂紋。下一循環，裂紋又張開、鈍化、擴展、銳化，重復上述過程。這樣，每一個應力循環都將在裂紋面上留下一條痕跡，稱為疲勞輝紋。疲勞輝紋不同于前述的貝紋線，斷口上的貝紋線一般是肉眼（或用低倍放大鏡）可見的；疲勞輝紋在晶粒級別出現，必須借助于高倍電子顯微鏡才能觀察到，故一條貝紋線可以包含幾千條甚至上萬條疲勞輝紋。
疲勞壽命
疲勞損傷發生在受交變應力（或應變)作用的零件和構件。零件和構件在低于材料屈服極限的交變應力（或應變）的反復作用下，經過一定的循環次數以后，在應力集中部位萌生裂紋，裂紋在一定條件下擴展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞。材料在疲勞破壞前所經歷的應力循環數稱為疲勞壽命。
常規疲勞強度計算是以名義應力為基礎的，可分為無限壽命計算和有限壽命計算。零件的疲勞壽命與零件的應力、應變水平有關，它們之間的關系可以用應力-壽命曲線（σ-N曲線）和應變一壽命曲線（δ－Ν曲線）表示。應力-壽命曲線和應變-壽命曲線，統稱為S-N曲線。根據試驗，其數學表達式為：σmN=C，式中，N為應力循環數，m、C為材料常數。在疲勞試驗中，實際零件尺寸和表面狀態與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應力集中，所以，在使用時必須引入應力集中系數K、尺寸系數ε和表面系數β。
提高疲勞壽命的方法有：1、工件外觀，工件外觀光潔度高，過渡圓滑；2、應力處理，消除拉應力，預置壓應力；3、材料優化，在金屬材料中添加萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，可以大大提高金屬抗疲勞的本領，延長使用壽命；4、具體實施，利用豪克能技術可以使工件表面達到高光潔度，并可預置壓應力，可以大大提高疲勞壽命。
參考資料 >
馬航飛機失聯事件相關詞匯.中國日報網.2023-10-21
高頻疲勞測試，不是所有的金屬材料都適合，你可知道為什么？.中國腐蝕與防護網.2025-06-01