随时间作周期性或非周期性变化的载荷称为交变载荷，大多数承载的机械构件都在这种交变载荷作用下工作，由于载荷的变化，试件（或构件）的材料内产生随时间变化的交变应力与交变应变。当材料（或结构）受到多次重复变化的载荷作用后，应力值即使没有超过材料的强度极限，甚至在比弹性极限还低的情况下也会发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料（或结构）的破坏现象，就称为疲劳破坏。构件因发生疲劳破损而丧失正常工作性能的现象称为疲劳失效，试件抵抗疲劳失效的能力称为材料疲劳强度，构件抵抗疲劳失效的能力称为结构疲劳强度。
疲劳问题起初是在19世纪初因蒸汽机车问题而提出的。19世纪中叶以来，人们为认识和控制疲劳破坏进行了不懈努力，在疲劳现象的观察、疲劳机理的认识、疲劳规律的研究、疲劳寿命的预测和抗疲劳设计技术的发展等方面都积累了丰富的知识。20世纪50年代中期断裂力学的发展，进一步促进了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究。疲劳断裂失效涉及扰动载荷的多次作用，还涉及材料缺陷的形成与扩展、环境等方面，对其认识和根本解决还有待深入研究。
1.疲劳特征
疲劳破坏是一种损伤积累的过程，因此它的力学特征不同于静力破坏，其不同之处主要表现如下：
（1）只有在扰动应力作用的条件下疲劳才会发生。
（2）疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用后，形成裂纹或完全断裂。足够多次的扰动载荷作用后，从高应力（或高应变）的局部开始，形成裂纹，称为裂纹起始（或裂纹萌生）。此后，在扰动载荷作用下，裂纹进一步扩展，直至到达临界尺寸而发生完全断裂。裂纹“萌生－扩展－断裂”三个阶段是疲劳破坏的又一特点。研究疲劳裂纹萌生和扩展的机理及规律，是疲劳研究的主要任务。
（3）交变应力水平低。若构件中的交变应力远小于材料的强度极限或屈服极限，破坏就有可能发生，但不是立刻发生，而要经历一段时间，甚至很长的时间。
（4）具有局部性。疲劳破坏不牵涉整个结构，因此采取改变局部设计或工艺的措施就可明显延长疲劳寿命。发现疲劳裂纹时，一般不需要更换全部结构，只需采取局部处理措施。例如，磨去细小表面裂纹；扩孔去掉孔边裂纹；采取喷丸措施产生残余压应力工艺；等等。
（5）疲劳破坏前，即使是塑性材料（延性材料）有时也没有明显的残余变形。
2.疲劳的分类
疲劳大致分为以下几种类型：
（1）按设计寿命长短，可分为无限寿命设计和有限寿命设计。在有限寿命设计中，寿命大于106周的称为高周疲劳，小于105周的称为低周疲劳。
（2）按引起疲劳的载荷特性，可分为冲击疲劳、接触疲劳、摩擦疲劳与磨损疲劳。
（3）按受力方式，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳和复合疲劳。
（4）按应力与时间是否有确定的函数关系，可分为定常疲劳和随机疲劳。
（5）按环境温度，可分为常温疲劳、高温疲劳和热疲劳。
（6）按有无腐蚀性介质作用，可分为一般疲劳和腐蚀疲劳，腐蚀疲劳即在腐蚀环境（化学、风雨、空气等）下的疲劳。
3.影响疲劳的因素
影响机械零件疲劳强度的因素有很多，主要有形状、尺寸、表面状况、平均应力、复合应力、加载频率、应力波形、停歇、腐蚀介质和温度等。例如，在研究曲轴和连杆的疲劳强度时，主要研究形状、尺寸、表面加工和载荷频率等常规因素对疲劳强度的影响。
1）形状对疲劳强度的影响
在机械零件中，由于结构上的要求，不可避免地存在槽沟、轴肩、孔、拐角和切口等不连续部分，导致截面形状发生突变。由于零件（或构件）几何形状的不连续而引起比名义应力大得多的局部应力现象称为应力集中。应力集中对疲劳强度的影响极大，并且是各种影响因素中起主要作用的因素，它大大降低了零构件的疲劳强度。曲轴的曲柄销和主轴颈的过渡圆角处是曲轴应力集中最严重的部位，通常曲柄销圆角处应力比主轴颈圆角处应力大，主要是因为曲柄销的直径小于主轴颈直径。连杆的大头、小头过渡圆角处是连杆应力集中最严重的部位，通常小头过渡圆角处的应力集中程度要重于大头过渡圆角处。(www.xing528.com)
如果材料是绝对弹性或脆性的，则静载作用时所得的应力集中系数最大。实际上，工程中所用的材料都有一定的黏性，在应力集中部位由于局部屈服而发生应力重新分布，使最大应力达不到计算的最大值。破坏常常是伴随着疲劳裂纹的发展而产生的，这时的应力集中系数称为有效应力集中系数，也称为疲劳缺口系数。有效应力集中系数Kf为光滑试样的疲劳极限σ1与净截面尺寸及加工方法相同的缺口试样疲劳极限σ1K之比：
有效应力集中系数主要取决于理论应力集中系数Kt，但还与材料性质、缺口形式、缺口半径和缺口深度有关。确定Kf最直接可靠的方法是进行疲劳试验，但进行疲劳试验耗资、费时，且得到的Kf还与试件的尺寸有关；而且，在一种试件上得到的Kf不能直接用于材料相同而尺寸不同的试件上，不同的材料对应力集中的敏感性有所不同。这些因素使问题更加复杂。
确定Kf的方法一般有三种：查图法、影响系数法和敏感系数法。目前敏感系数法是世界通用的方法，利用理论应力集中系数Kt和疲劳缺口敏感系数q来计算有效应力集中系数。公式如下：
疲劳缺口敏感系数q与材料性能、缺口半径有关，可由一些经验公式和图表查得。
2）尺寸对疲劳强度的影响
试样和零件的尺寸对疲劳的强度的影响很大，一般来说，零件和试样的尺寸增大，疲劳强度降低。这种疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象称为尺寸效应。尺寸对疲劳强度的影响主要有以下三个原因：
（1）材料的力学性能（包括疲劳性能）随着材料断面的增大而降低。强度级别越高的合金钢，这种现象越明显。它与材料的冶金、热加工工艺和金相组织有关，是由材料的内在性质决定的，与零件的结构、载荷情况、冷加工过程无关。
（2）零部件的应力梯度是造成尺寸效应的主要原因。尺寸不同的试件若受力条件相同，且危险点峰值应力相等，则大尺寸试件由于应力梯度小而疲劳强度低，小尺寸试件由于应力梯度大而疲劳强度高。
（3）同一毛坯上取下的不同断面的试件，大尺寸试件的疲劳强度低于小尺寸试件。这是因为，大尺寸试件含有更多的疲劳损伤源，裂纹萌生的概率高，导致疲劳强度下降。
尺寸效应的大小用尺寸系数ε来表示，是小于1的系数。ε的定义：当应力集中和加工情况相同时，尺寸为d的试样的疲劳极限σ1d与标准尺寸d0试样的疲劳极限σ1之比。
对称弯曲的尺寸系数ε：
对称扭转的尺寸系数ετ：
式中，σ1d，τ1d——直径为d的无缺口光滑大试样对称弯曲疲劳极限、对称扭转疲劳极限；
σ1，τ1——直径为d0的标准尺寸试样对称弯曲疲劳极限、对称扭转疲劳极限。
3）表面加工对疲劳强度的影响
疲劳裂纹源通常产生于试件表面。这是因为，外表面的应力水平往往最高，外表面的缺陷也往往最多；另外，表面层材料的约束小，滑移带最易移动。因此，零部件的表面状况对疲劳强度有着显著影响，其影响程度用表面敏感系数β来表示，即
β＝加工某试样的疲劳强度/标准光滑试件的疲劳强度
通常，材料的疲劳强度或疲劳寿命是由标准光滑试件得到的，在用β估算零部件的疲劳强度或疲劳寿命时，需要做表面敏感系数的修正。绝大多数结构或机械的疲劳关键部位往往是应力集中部位，进行表面敏感系数修正时要注意表面状况的对应。
4）载荷频率时疲劳强度的影响
载荷频率对疲劳强度的影响与试样处在最大载荷下的时长有关。这是因为塑性变形落后于应力，最大应力作用的时间越长，影响就越强烈。提高频率相当于提高加载速率，加载速率高于裂纹扩展速率时，裂纹来不及扩展，从而使疲劳强度与寿命提高。加载速率对疲劳强度的影响与外加应力水平有关，应力水平越高，频率的影响就越大。加载速率对寿命的影响比对疲劳极限的影响要大。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
