当今世界在生产和生活中对疲劳强度越来越重视和关注，疲劳破坏现象与我们的生活有着紧密的联系：在实际中，结构失效的原因往往并不是其静强度不足，而是材料的疲劳（fatigue）与断裂（fracture）。这方面有许多惨痛的例子，如1954年世界上第一架喷气客机—英国的彗星号，在投入飞行不到二年，就因其客舱的疲劳破坏而坠入地中海；又如在1967年，美国西弗吉尼亚的Point Pleasant桥因其一根拉杆的疲劳而突然毁坏；最近（2002年）在空中解体、坠入台湾海峡彭湖海域的台湾华航波音747宽体客机也是因其机翼与机身连接部位的疲劳破坏而引起的；等等。所以，疲劳强度与我们的生命财产息息相关，研究构件的疲劳强度具有重要的意义。 
    要想研究疲劳强度对我们实际生活的影响，那么就要搞清楚什么是疲劳、疲劳破坏的现象（如何识别疲劳破坏）、疲劳辉纹的形成机理、影响疲劳强度的因素以及如何提高疲劳强度。本章主要介绍了疲劳现象及疲劳过程，包括金属材料的疲劳断裂，包括疲劳现象和疲劳过程两部分。疲劳现象主要介绍了变动载荷，疲劳断裂特点，疲劳宏观断口。疲劳过程主要介绍了疲劳裂纹的萌生，疲劳裂纹的扩展，断口微观特征及疲劳扩展速率的数学表达式。疲劳强度指标及影响疲劳性能的因素，包括疲劳强度指标及影响疲劳性能的因素，其中疲劳强度指标包括S-N曲线，疲劳极限，过载持久值，过载损伤界，疲劳缺口敏感度。影响疲劳性能的因素包括载荷因素，表面状态，尺寸因素，组织因素，低周疲劳特点，循环硬化及循环软化。 
重点学习：疲劳裂纹的萌生扩展，疲劳扩展速率，影响疲劳性能的因素，S-N曲线，低周疲劳特点，循环硬化及循环软化。

1、疲劳辉纹 
疲劳断口上疲劳裂纹扩展第二阶段最显著的微观特征是在电子显微镜下可以观察到疲劳辉纹。通常，疲劳辉纹分为韧性和脆性两类。疲劳辉纹是疲劳断口的主要微观特征，是用来判断是否由疲劳所引发的断裂的主要依据之一。 
2、S-N曲线 
以材料标准试件疲劳强度为纵坐标，以疲劳寿命的对数值lg N为横坐标，表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线，称应力－寿命曲线，也称S-N 曲线。 
 
3、低周疲劳的特点 
又称条件疲劳极限，或“低循环疲劳”。参照零件工作周期可能作用的次数下能承受的应力极限值。（可以有效发挥材料的作用）。由于机件设计的循环许用应力比较高，加上实际机件补课避免地存在应力集中，因而局部区域会产生宏观塑性变形，使得应力-应变曲线不呈直线关系，形成回线。 
4、循环硬化与循环软化 
若金属材料在恒定应变循环作用下，随循环周次增加，应力（形变抗力）不断增加，即为循环硬化；若在循环过程中，应力逐渐减少，则为循环软化。 
5、疲劳裂纹扩展速率 
分为三个区：疲劳裂纹不扩展区，疲劳裂纹亚临界扩展阶段或裂纹线性扩展阶段，疲劳裂纹失稳扩展区。数学表达式：da / dN =c (△KI)n

1、某起重杆承受脉冲循环（R＝0）载荷作用，每年作用载荷谱统计如下表所示，S－N曲线可用 ， 
a）试估算拉杆的寿命为多少年？ 
b）若要求使用寿命为5年，试确定可允许的 。 
2、什么是疲劳裂纹闭合效应？有哪些裂纹闭合机制？ 
3、已知某应力比下的一组疲劳试验寿命结果如下表，使用最小二乘法拟合直线，求出相关系数，并写出其S－N曲线表达式。

4、试述疲劳宏观断口的特征及其形成过程。 
5、一个构件，用无损探伤得知存在一个3 mm长的初始裂纹，并在服役工况下在裂纹扩展到8 mm是快速脆断，现考虑两种方法提高疲劳寿命：（a）通过热处理使得材料最后的裂纹长度能到10 mm，(b) 使用较好的无损探伤方法，保证材料的初始裂纹在1 mm以下，问哪种方法较好？计算上述两种方法疲劳寿命增加的百分数（材料的Paris系数为m=3）?
6、解释下列设计和环境因素对疲劳寿命的影响：(a) 高度抛光的表面光洁度；(b)铆钉洞；(c) 在不改变幅度的情况下增加平均应力；(d) 腐蚀性的大气环境。

a）试估算拉杆的寿命为多少年？ 
b）若要求使用寿命为5年，试确定可允许的Smax。

2、7075-T6铝合金等寿命图如本章图2.9所示，若a）R＝0.2，N＝106；b）R＝－0.4，N＝105试估计各相应的应力水平（Smax，Smin，Sa，Sm）。 
 
7075-T6铝合金等寿命图 
3、已知循环应力幅Sa=100MPa，R＝0.2，计算Smax，Smin，Sm和ΔS。 
4、已知某应力比下的一组疲劳试验寿命结果如下表，使用最小二乘法拟合lgSa-lgN直线，求出相关系数，并写出其S－N曲线表达式。

5、什么是疲劳裂纹闭合效应？有哪些裂纹闭合机制？ 
6、很多年以前，在伦敦议会建筑物“大钟楼”的大钟上发现了一条裂纹们为了使它不至于突然发生破坏或者完全更换没决定换一个小一点的钟锤，并把大钟转一个方向以改变钟锤的敲击位置，经过改装以后，大钟的寿命成功地延长至今，试说明改装成功的原因？ 
7、讨论材料的疲劳抗力与抗拉强度、塑性、韧性之间的关系。 
8、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料疲劳断裂的特点？ 
9、与光滑试样的静拉伸断裂相比，试述疲劳断裂的一般规律和特点是什么？ 
10、J积分的主要优点是什么？为什么用这种方法测定低中强度材料的断裂韧性要比一般的KIC测定方法其试样尺寸要小很多？

随着人们生活水平的日益提高，金属也越来越广泛地应用于各行各业，因而金属的疲劳性能也越来越被人们关注。引用美国试验与材料协会(ASTM)在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”(ASTM E206-72)中所作的定义:在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。 
由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。但由于技术的落后，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 
科学研究表明，金属疲劳并非完全难以检测。近年来，应用科学的检测手段避免了不少因金属疲劳而可能发生的事故。科学家证实，汽车刹车突然失灵而掉下悬崖、飞机发动机突然爆裂、强风使铁桥崩塌等惨祸发生前，刹车、机身、桥梁上都会产生异常震动，这实际上就是“金属疲劳”的一种征兆。所以，当工程师设计飞机、汽车、桥梁或其他机械时，都必须考虑到金属疲劳问题，并对这些金属建筑或机械定期“体检”，以确保安全。 
影响疲劳性能的因素包括载荷因素，表面状态与尺寸因素，组织因素。 
日本原子能研究所的研究人员还研制出了一种“聪明涂料”，这种涂料初看和普通涂料没什么区别，但实际上涂料中掺入了钛酸铅粉末。将“聪明涂料”涂在金属板上，再敲击金属板使其震动，结果涂膜中会产生电流，这便可作为研究人员分析金属疲劳程度的信息。例如，将“聪明涂料”涂在飞机机翼上，然后经常测定涂膜中产生的电流，一旦发现异常电流，立即实施紧急精密检查，及时查明原因，便可排除事故隐患。 
还可以向单一金属中掺入其他物质，填补金属中的空隙和瑕疵。如果掺入的物质是金属，就可以制造出合金，用两种金属相互填充空隙的方法来弥补瑕疵，并使得金属强度增高。向金属中加入碳，也可以弥补金属中的瑕疵，制造出高强度碳钢。在金属材料中添加各种“维生素”，也是增强金属抗疲劳的有效办法。例如在钢铁和有色金属里，加进万分之几或千万分之几的稀土元素，就可以大大提高这些金属抗疲劳的本领，延长使用寿命。 
在设计机械时，也应尽量减少可能发生的金属疲劳事故。比如，可以消除零件上的薄弱环节，减少开孔、挖槽、切口等，因为疲劳裂纹常常发生在这些地方；提高零件表面的光洁度，保护表面不受生锈腐蚀之害，加工粗糙所产生的刻划痕以及材料锈腐之处，都是容易产生微细裂纹的；对零件表面进行强化处理，比如，辗压零件的表面，使材料表面强化，从而不易产生微细裂纹。 
疲劳破坏是承受交变应力的机械构件高应力集中区较弱的晶粒在经过一定的循环次数以后形成微裂纹然后发展成宏观裂纹继续扩展导致最终断裂的破坏过程。疲劳破坏以许多形式出现，包括仅有外加应力或应变波动造成的机械疲劳，循环载荷同高温联合作用引起的蠕变疲劳，受循环载荷的作用下温度也变动的热机械疲劳即热疲劳与机械疲劳的组合，在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时的腐蚀疲劳等。机器和结构部件的失效大多是由于发生上述某一种疲劳过程造成的引起疲劳失效的循环载荷的峰值一般远远小于静态断裂分析估算出来的安全载荷。