一、疲勞的基本概念

1、疲勞的定義

疲勞損傷發(fā)生在受交變應(yīng)力（或應(yīng)變）作用的零件和構(gòu)件，零件和構(gòu)件在低于材料屈服極限的交變應(yīng)力（或應(yīng)變）的反復(fù)作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)以后，在應(yīng)力集中部位萌生裂紋，裂紋在一定條件下擴(kuò)展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為疲勞破壞。

2、疲勞破壞的特征

材料力學(xué)是根據(jù)靜力試驗(yàn)來確定材料的機(jī)械性能（比如彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限）的，這些機(jī)械性能沒有充分反映材料在交變載荷作用下的特性。因此，在交變載荷作用下工作的零件和構(gòu)件，如果還是按靜載荷去設(shè)計，在使用過程中往往就會發(fā)生突如其來的破壞。

3、疲勞破壞與傳統(tǒng)的靜力破壞有著許多明顯的本質(zhì)區(qū)別：

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(fù)載荷作用下產(chǎn)生的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的。

當(dāng)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時，不會發(fā)生靜力破壞；而交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。

靜力破壞通常有明顯的塑性變形產(chǎn)生；疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，即便是塑性良好的金屬也這樣，就象脆性破壞一樣，事先不易覺察出來，這表明疲勞破壞具有更大的危險性。

在靜力破壞的斷口上，通常只呈現(xiàn)粗粒狀或纖維狀特征；而在疲勞破壞的斷口上，總是呈現(xiàn)兩個區(qū)域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒狀或纖維狀。因?yàn)槠谄茐臅r，首先在某一點(diǎn)產(chǎn)生微小的裂紋，其起點(diǎn)叫“疲勞源”，裂紋從疲勞源開始，逐漸向四周擴(kuò)展。由于反復(fù)變形，裂開的兩個面時而擠緊，時而松開，這樣反復(fù)摩擦，形成一個平滑區(qū)域。在交變載荷繼續(xù)作用下，裂紋逐漸擴(kuò)展，承載面積逐漸減少，當(dāng)減少到材料或構(gòu)件的靜強(qiáng)度不足時，就會在某一載荷作用下突然斷裂，其斷裂面呈粗粒狀或纖維狀。

靜力破壞的抗力主要取決于材料本身；而疲勞破壞的抗力與材料的組成、構(gòu)件的形狀或尺寸、表面狀況、使用條件以及外界環(huán)境都有關(guān)系。

二、疲勞分類：

1、機(jī)械疲勞：外加應(yīng)力或應(yīng)變波動造成的機(jī)械疲勞

2、蠕變疲勞：循環(huán)載荷同高溫聯(lián)合作用引起的

3、熱機(jī)械疲勞：循環(huán)受載部件的溫度也變動時引入的熱機(jī)械疲勞（即熱疲勞與機(jī)械疲勞的組合）

4、腐蝕疲勞：存在侵蝕性化學(xué)介質(zhì)或致脆介質(zhì)的環(huán)境中施加反復(fù)載荷時產(chǎn)生的

5、滾動接觸疲勞：載荷的反復(fù)作用與材料之間的滾動接觸相結(jié)合產(chǎn)生的

6、微動疲勞：脈動應(yīng)力與表面間的來回相對運(yùn)動和摩擦滑動共同作用產(chǎn)生的

三、疲勞壽命

1、許用應(yīng)力

許用應(yīng)力是機(jī)械設(shè)計中允許零件或構(gòu)件承受的最大應(yīng)力值，要判定零件或構(gòu)件受載后的工作應(yīng)力過高或過低，需要預(yù)先確定一個衡量的標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)就是許用應(yīng)力。許用應(yīng)力等于考慮各種影響因素后經(jīng)適當(dāng)修正的材料失效應(yīng)力除以安全系數(shù)。靜強(qiáng)度設(shè)計中塑性材料以屈服極限作為失效應(yīng)力，脆性材料以強(qiáng)度極限作為失效應(yīng)力。

2、疲勞壽命

材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。

常規(guī)疲勞強(qiáng)度計算是以名義應(yīng)力為基礎(chǔ)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(yīng)力、應(yīng)變水平有關(guān)，它們之間的關(guān)系可以用應(yīng)力-壽命曲線（σ-N曲線）和應(yīng)變-壽命曲線（δ-Ν曲線）表示。應(yīng)力-壽命曲線和應(yīng)變-壽命曲線，統(tǒng)稱為S-N曲線。

在疲勞試驗(yàn)中，實(shí)際零件尺寸和表面狀態(tài)與試樣有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應(yīng)力集中，所以，在使用時必須引入應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β。

3、循環(huán)應(yīng)力的特性

循環(huán)應(yīng)力的特性用最小應(yīng)力σmin與最大應(yīng)力σmax的比值r=σmin/σmax表示，r稱為循環(huán)特征。對應(yīng)于不同循環(huán)特征，有不同的S-N曲線、疲勞極限和條件疲勞極限。對不同方向的應(yīng)力，可用正負(fù)值加以區(qū)別，如拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。當(dāng)r=-1，即σmin=-σmax時，稱為對稱循環(huán)應(yīng)力；當(dāng)r=0，即σmin=0時，稱為脈動循環(huán)應(yīng)力；當(dāng)r=+1，即σmin=σmax時，應(yīng)力不隨時間變化，稱為靜應(yīng)力。對應(yīng)于不同循環(huán)特征，有不同的S-N曲線、疲勞極限和有限壽命的條件疲勞極限。

4、疲勞極限

材料疲勞極限可從有關(guān)設(shè)計手冊、材料手冊中查出。缺乏疲勞極限數(shù)據(jù)時，可用經(jīng)驗(yàn)的方法根據(jù)材料的屈服極限σs和強(qiáng)度極限σb計算。

零件的疲勞極限σrk和τrk是根據(jù)所使用材料的疲勞極限，考慮零件的應(yīng)力循環(huán)特性、尺寸效應(yīng)、表面狀態(tài)應(yīng)力集中等因素確定的。

5、疲勞損傷積累理論

疲勞損傷積累理論認(rèn)為，當(dāng)零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時，每一次載荷循環(huán)都對零件造成一定量的損傷，并且這種損傷是可以積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時，零件將發(fā)生疲勞破壞。較重要的疲勞損傷積累理論有線性和非線性疲勞損傷積累理論，線性疲勞損傷積累理論認(rèn)為，每一次循環(huán)載荷所產(chǎn)生的疲勞損傷是相互獨(dú)立的。總損傷是每一次疲勞損傷的線性累加，它最具代表性的理論是帕姆格倫一邁因納定理，應(yīng)用最多的是線性疲勞損傷積累理論。