疲勞是指在低于材料極限強(qiáng)度（ultimate strength）的應(yīng)力（stress）長期反復(fù)作用下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)終于破壞的一種現(xiàn)象。由于總是發(fā)生在結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)容許最大應(yīng)力的情況下，因此，常能躲過一般人的注意而不被發(fā)覺，這也是疲勞最危險(xiǎn)的地方。

材料在承受反復(fù)應(yīng)力的作用過程中，每一次的應(yīng)力作用稱為一個(gè)應(yīng)力周期（cycle），此周期內(nèi)的材料受力狀態(tài)，由原本的無應(yīng)力先到達(dá)最大正應(yīng)力（拉伸應(yīng)力），然后到達(dá)最大負(fù)應(yīng)力（壓縮應(yīng)力），最后回到無應(yīng)力狀態(tài)。在此受力過程中，每一個(gè)應(yīng)力周期所經(jīng)歷的時(shí)間長短（即︰頻率）與疲勞關(guān)系甚微，應(yīng)力周期的振幅及累積次數(shù)才是決定疲勞破壞發(fā)生的時(shí)機(jī)；另外，壓縮應(yīng)力不會(huì)造成疲勞破壞，拉伸應(yīng)力才是疲勞破壞的主因。

材料承受反復(fù)應(yīng)力的作用過程

疲勞破壞大致分為兩類︰低周期疲勞（low cycle fatigue）及高周期疲勞（high cycle fatigue）。一般而言，發(fā)生疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力周期次數(shù)少于十萬次者，稱為低周期疲勞；高于此次數(shù)者，稱為高周期疲勞。低周期疲勞的作用應(yīng)力較大，經(jīng)常伴隨著結(jié)構(gòu)的永久塑性變形（plastic deformation）；高周期疲勞的作用應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)變形通常維持在彈性（elastic）范圍內(nèi)，所以不致有永久變形。

材料疲勞破壞的進(jìn)程分為三階段︰裂紋初始（crack initiation）、裂紋成長（crack growth）、強(qiáng)制破壞（rupture）。材料表面瑕疵或是幾何形狀不連續(xù)處，材料晶格（lattice）在外力作用下沿結(jié)晶面（crystallography plane）相互滑移（slip），形成不可逆的差排（dislocation）移動(dòng)，在張力及壓力交替作用下，于材料表面形成外凸（extrusion）及內(nèi)凹（intrusion），造成初始裂紋。這些初始裂紋在多次應(yīng)力周期的拉伸應(yīng)力連續(xù)拉扯下逐漸成長，并使材料承載面積縮減，降低材料的承載能力。當(dāng)裂紋成長到臨界長度（critical length）時(shí)，材料凈承載面積下的應(yīng)力已超過材料的極限強(qiáng)度，此時(shí)的材料強(qiáng)制破壞也就無法避免了。

疲勞破壞特點(diǎn)

突然性：斷裂時(shí)并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞；

低應(yīng)力：疲勞破壞在循環(huán)應(yīng)力的最大值，遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度的情況下就可以發(fā)生；

重復(fù)載荷：疲勞破壞是多次重復(fù)載荷作用下產(chǎn)生的破壞，它是較長期的交變應(yīng)力作用的結(jié)果，疲勞破壞往往要經(jīng)歷一定時(shí)間，與靜載下的一次破壞不同；

缺陷敏感：疲勞對(duì)缺陷（例如缺口、裂紋及組織缺陷）十分敏感，由于疲勞破壞是從局部開始的，所以它對(duì)缺陷具有高度的選擇性；

疲勞斷口：疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部份。

圖4 疲勞破壞典型斷口圖