金屬疲勞是指材料、零構(gòu)件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下，在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。

材料的金屬疲勞研究經(jīng)歷了一段較為長遠的探索過程。從通過專門的試驗對金屬疲勞問題開始進行研究時起，距今已有150多年。

金屬疲勞現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是在第一次工業(yè)革命之后，第二次工業(yè)革命之前，隨著蒸汽機車等大功率設(shè)備的使用，人們發(fā)現(xiàn)部分構(gòu)件會在使用一段時間后發(fā)生破壞，比如在鐵路上，人們觀察到列車車軸的軸頸部位會因使用時間較久而開裂，而破壞事故的原因人們卻沒有得到一個清晰的解釋。

有記載的相關(guān)試驗是1829年德國礦采工程師W.A.艾伯特根據(jù)當時的鐵鏈重復(fù)載荷試驗提出了“金屬疲勞”的現(xiàn)象。雖然之后“金屬疲勞”一詞已經(jīng)被多次提及，但首先在文獻中采用“金屬疲勞”一詞的是法國人波克萊特，他于1839年描述了在反復(fù)施加荷載作用下結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象。

在這之后將“金屬疲勞”一詞作為正式題目提及的第一篇文章是1854年由博雷士威特在倫敦土木工程年會上發(fā)表的論文。在1860年為解決火車軸斷裂失效最先提出了繪制金屬疲勞曲線的想法(最基本的S-N曲線)，由于該金屬疲勞曲線的繪制是維勒(Wohler)提出的，所以后人也稱該曲線為維勒曲線。

1998年6月3日，德國一列高速列車在行駛中突然出軌，造成100多人遇難的嚴重后果。事后經(jīng)過調(diào)查，人們發(fā)現(xiàn)，造成事故的原因竟然是因為一節(jié)車廂的車輪內(nèi)部金屬疲勞的金屬斷裂而引起。從而導(dǎo)致了這場近50年來德國最慘重鐵路事故的發(fā)生。

人們所見到的金屬，看起來熠光閃閃、錚錚筋骨，被廣泛用來制作機器、兵刃、艦船、飛機等等。其實，金屬也有它的短處。在各種外力的反復(fù)作用下，可以產(chǎn)生金屬疲勞狀態(tài)，而且，一旦產(chǎn)生金屬疲勞就會因不能得到恢復(fù)而造成十分嚴重的后果。實踐證明，金屬疲勞已經(jīng)是十分普遍的現(xiàn)象。

據(jù)150多年來的統(tǒng)計，金屬部件中有80%以上的損壞是由于金屬疲勞而引起的。在人們的日常生活中，也同樣會發(fā)生金屬疲勞帶來危害的現(xiàn)象。一輛正在騎行的自行車突然前叉折斷，造成車翻人傷的后果。炒菜時鋁鏟折斷、挖地時鐵锨斷裂、刨地時鐵鎬從中一分為二等現(xiàn)象更是屢見不鮮。

早在100多年以前，人們就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞給各個方面帶來的損害。但由于技術(shù)的落后，還不能查明金屬疲勞破壞的原因。直到顯微鏡和電子顯微鏡相繼出現(xiàn)之后，使人類在揭開金屬疲勞秘密的道路上不斷取得新的成果，并且有了巧妙的辦法來對付這個大敵。

在金屬材料中添加各種“維生素”是增強金屬抗金屬疲勞的有效辦法。例如，在鋼鐵和有色金屬里，加進萬分之幾或千萬分之幾的稀土元素，就可以大大提高這些金屬抗金屬疲勞的本領(lǐng)，延長使用壽命。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已出現(xiàn)“金屬免疫療法”新技術(shù)，通過事先引入的辦法來增強金屬的金屬疲勞強度，以抵抗金屬疲勞損壞。此外，在金屬構(gòu)件上，應(yīng)盡量減少薄弱環(huán)節(jié)，還可以用一些輔助性工藝增加表面光潔度，以免發(fā)生銹蝕。對產(chǎn)生震動的機械設(shè)備要采取防震措施，以減少金屬疲勞的可能性。在必要的時候，要進行對金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測，對防止金屬疲勞也很有好處。

金屬疲勞所產(chǎn)生的裂紋會給人類帶來災(zāi)難。然而，也有另外的妙用。現(xiàn)在，利用金屬疲勞斷裂特性制造的應(yīng)力斷料機已經(jīng)誕生。可以對各種性能的金屬和非金屬在某一切口產(chǎn)生金屬疲勞斷裂進行加工。這個過程只需要1～2秒鐘的時間，而且，越是難以切削的材料，越容易通過這種加工來滿足人們的需要。

1901年，拜爾斯研究了循環(huán)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。他測出了滯回曲線，并進行了多級金屬疲勞試驗。在現(xiàn)今金屬疲勞領(lǐng)域的試驗研究中，應(yīng)力-應(yīng)變曲線是十分有效的研究手段。與他同期的英國人高夫?qū)饘倨跈C制的揭示貢獻很大。他通過研究多軸金屬疲勞，說明了彎、扭的復(fù)合作用，并在1924年發(fā)表了一本巨著《金屬疲勞》。

對鋼構(gòu)件進行金屬疲勞研究的試驗是在20世紀30至40年代。1929年，美國人Peterson提出了尺寸效應(yīng)的概念并進行了一系列的試驗，他提出了應(yīng)力集中系數(shù)的理論值。

1945年，美國人Miner在對金屬疲勞的累積損傷問題進行了大量試驗研究的基礎(chǔ)上，將Palmgren1924年提出的線性累積損傷理論公式化，獲得了最簡單、最著名、使用最廣的Palmgren-Miner線性累積損傷理論(中音譯為：帕姆格倫一邁因納定理)，此理論至今仍在廣泛應(yīng)用。

50年代，金屬疲勞研究有三大突破性進展：

(1)研制出了閉環(huán)控制的電液伺服金屬疲勞試驗機，從而在材料構(gòu)件的金屬疲勞試驗中可以模擬機器的實際使用工況，促進了金屬疲勞試驗的發(fā)展，當今的金屬疲勞試驗機多數(shù)是在其基礎(chǔ)上研制出的。

(2)電子顯微鏡的出世，給金屬疲勞損傷的形成與發(fā)展機制的研究開拓了新的紀元，它一般用于分析金屬疲勞斷口的形成與發(fā)展，觀察層板的損傷機理等。

(3)1952年美國國家航空和航天管理局NASA劉易斯研究所的Manson和Coffin在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了表達塑性應(yīng)變和金屬疲勞壽命間關(guān)系的Manson-Coffin方程，奠定了低周金屬疲勞的基礎(chǔ)。

1964年，在日內(nèi)瓦召開的國際標準化組織會議發(fā)表的題為“金屬疲勞試驗的一般原理 的報告中給出了金屬疲勞的定義：在應(yīng)力或者應(yīng)變的交替反復(fù)作用下金屬材料所發(fā)生的性能變化。

日常生活中使用的多數(shù)金屬材料機械零部件承受的載荷都是隨時間變化而變化的。材料在交變載荷作用下，發(fā)生的破損或斷裂叫做金屬疲勞破壞。

金屬疲勞破壞的特征和靜力作用下的破壞有著本質(zhì)的不同，主要有以下特征：

在交變載荷作用下，材料所受的應(yīng)力，即使低于材料的屈服強度，金屬疲勞破壞也會發(fā)生，力的大小并不是決定金屬疲勞發(fā)生與否的決定因素。而靜載荷作用下的破壞，一般發(fā)生在力較大高于屈服強度時。

不管脆性材料或者塑性材料，金屬疲勞斷裂時都不會表現(xiàn)出明顯的塑性形變，而是突然斷裂，這種突然性會更讓人猝不及防，從而產(chǎn)生更大的危險。

材料發(fā)生金屬疲勞破壞時，一般是在局部發(fā)生。所以對于某些受力比較集中的部位，以及容易產(chǎn)生金屬疲勞破壞的部位，通過定期的更換材料，可以改善金屬疲勞情況，嚴重整體部件的使用壽命。

材料發(fā)生金屬疲勞破壞時，并不是一蹴而就的。金屬疲勞破壞是一個由裂紋萌生、擴展、最終導(dǎo)致斷裂的過程。過程時間的長短取決于金屬疲勞發(fā)生的條件和所處的環(huán)境。

一般情況下，金屬疲勞是指材料在室溫空氣中，受交變載荷作用下，發(fā)生的金屬疲勞。在實際工作中，常遇到不同載荷條件、環(huán)境溫度或介質(zhì)情況，因而產(chǎn)生不同類型的金屬疲勞。

1、按金屬疲勞過程中的應(yīng)力類型來分類：

①高周金屬疲勞：交變應(yīng)力低于材料屈限點且循環(huán)周次一般大于的金屬疲勞;

②低周金屬疲勞：交變應(yīng)力超過屈服點且循環(huán)周次在以下的金屬疲勞。

2、按載荷條件來分類：

①隨機金屬疲勞：零件在隨機載荷作用下的金屬疲勞;

②沖擊金屬疲勞：零件受到重復(fù)沖擊載荷的作用導(dǎo)致的金屬疲勞;

③微動磨損金屬疲勞：變化的載荷中引起摩擦從而產(chǎn)生的金屬疲勞。

1、化學(xué)成分

不同的材料，性能有非常明顯的差異,有的材料硬度較大，但僅受一個很小的力就會使其斷裂;有的材料硬度較小，但卻能承受多次的交變載荷的力而不發(fā)生斷裂。同種混合金屬材料，其成分的比例不同，對材料的抗金屬疲勞性能也會產(chǎn)生不同的影響。

究其根本，這是因為不同的材料，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不一樣、原子排列也不同，導(dǎo)致強度和塑性的差異，金屬疲勞性能也隨之改變?；鼗瘃R氏體比珠光體加馬氏體及貝氏體加馬氏體具有更高的抗金屬疲勞能力;鐵素體加珠光體組織鋼材的金屬疲勞抗力隨珠光體組織相對含量的增加而增加。

在大多數(shù)的工程材料中，會存在各種夾雜，如在合金的熔煉制造過程中引入的雜質(zhì)。以及渣痕、焊接缺陷，大的硫松等，都被視為材料的缺陷，這些缺陷都會導(dǎo)致材料的抗金屬疲勞性能出現(xiàn)異常，在交變載荷作用下，這些缺陷很有可能發(fā)展為金屬疲勞破壞的起源點。

2、表面狀況的影響

在裂紋起始階段，金屬疲勞是一個表面現(xiàn)象。金屬疲勞裂紋常從零件構(gòu)件的表面產(chǎn)生并開始擴展，因此表面加工狀態(tài)的優(yōu)劣對金屬疲勞裂紋的產(chǎn)生及其擴展有重要影響。表面狀況不好可以縮短裂紋起始階段的條件。

表面加工狀態(tài)的優(yōu)劣是指表面加工粗糙度、表面層的組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)等。如表面粗糙、加工造成的刀痕等都能引起應(yīng)力集中效應(yīng)，使金屬疲勞強度降低。此外，由于表面處理或加工不當，使零件表層留有殘余拉應(yīng)力，也會使金屬疲勞強度降低。

一般材料的表面缺陷是金屬疲勞起源的潛在位置，這些潛在位置在受到金屬疲勞載荷時，會逐漸形成裂紋并且不斷擴展，最終導(dǎo)致金屬疲勞斷裂，大大降低了金屬疲勞壽命。

一般來說表面越光滑的構(gòu)件，其金屬疲勞強度和金屬疲勞壽命會越好。表面加工情況是影響金屬疲勞性能的最直接的關(guān)鍵因素之一，也是最能直觀觀察到的因素。

3、環(huán)境的影響

環(huán)境對金屬疲勞裂紋的起始和裂紋的擴展都有影響。材料的金屬疲勞性能在腐蝕環(huán)境中和非腐蝕環(huán)境中有著明顯的區(qū)別。金屬材料在某些較極端的環(huán)境中，如強酸，高溫等，抗金屬疲勞性能會表現(xiàn)出明顯的減弱。極大的影響了構(gòu)件的正常運轉(zhuǎn)，以及機器的安全性能，稍有不慎就會釀成大禍。據(jù)研究表明高溫和腐蝕介質(zhì)可以加速金屬疲勞裂紋的萌生和擴展。

大多數(shù)材料的強度隨溫度的升高而降低，不同溫度下材料的金屬疲勞性能也隨之改變，而且材料在高溫中長期靜載荷作用下存在著蠕變現(xiàn)象，溫度愈高，在一定應(yīng)力下，材料的蠕變變形就越快，破壞所需要的時間就越短。在腐蝕的介質(zhì)下工作的零部件，再加上金屬疲勞載荷，就很容易發(fā)生腐蝕金屬疲勞。

金屬疲勞載荷能加快腐蝕的作用，而腐蝕又能加快金屬疲勞發(fā)生的過程，兩者相互促進，最終加速材料在區(qū)部的破壞，從而影響整個零部件的金屬疲勞性能。

4、應(yīng)力集中的影響

在機械零件中，由于結(jié)構(gòu)上的要求，不可避免的存在溝槽、軸肩、孔、拐角、切口等不連續(xù)部分致使截面形狀發(fā)生突變。由于零件幾何形狀的不連續(xù)而引起局部應(yīng)力較大的現(xiàn)象叫做“應(yīng)力集中”。應(yīng)力集中的地方，一般都是金屬疲勞容易起源的潛在位置，這些位置在金屬疲勞載荷作用下，很容易就發(fā)生金屬疲勞破壞。

5、表面殘余應(yīng)力

零部件在加工制造過程中，會受到各種因素的作用與影響，這些因素消失之后，沒有其他外力作用下時，以平衡狀態(tài)存在于物體內(nèi)部的應(yīng)力，稱為殘余應(yīng)力。在很多實際問題中，殘余應(yīng)力對于金屬疲勞有著重要意義。無意中引入的參與拉伸應(yīng)力對于金屬疲勞抗力是有害的，而殘余壓縮應(yīng)力，則可以顯著提高金屬疲勞性能。

其產(chǎn)生的原因多是不均勻塑性變形或是材料本身內(nèi)部不均勻所造成的，它的影響可以分為兩種：一種是對金屬疲勞等材料強度的影響。另外一種是對加工時或加工后產(chǎn)生尺寸偏差等有害變形的影響，作為對材料承受動載荷性能的影響而言，殘余應(yīng)力對材料的金屬疲勞強度的影響是重要的，一般認為，在金屬疲勞過程中殘余應(yīng)力起平均應(yīng)力的作用。

噴丸強化是一種在構(gòu)件材料表面引入有利殘余應(yīng)力的眾所周知的工藝，在多種實際應(yīng)用中被用來預(yù)防金屬疲勞或應(yīng)力腐蝕問題。噴丸強化使材料表層發(fā)生塑性伸長。由于表層必須和彈性基體保持緊密結(jié)合，參與壓縮應(yīng)力就在表面形成。殘余應(yīng)力可使構(gòu)件發(fā)生翹曲，但有時采用對稱噴丸操作可以避免尺寸變形。