提起疲劳，人们可能会想到熬夜加班后的困倦和全身酸痛，或者电视里常常报道的车祸“元凶”。材料在使用过程中也存在着疲劳现象，而且材料疲劳的危害不亚于疲劳驾驶。船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。在一些服役时间较长的材料的开发与应用中，其疲劳性能也必须纳入考虑。

1.疲劳的概念及现象

疲劳（Fatigue）是指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

早在19世纪就已查阅到多起严重的疲劳破坏事故报道，由于当时显微观测水平不够发达，疲劳损伤无法观测，疲劳破坏会在没有任何先兆的情况下产生，所以疲劳一度被认为是材料中发生的一种不可思议的奇妙现象。1842年轰动欧洲的法国凡尔赛铁路事故，使众多科学家开始对疲劳破坏展开深入的思考与讨论，开启人们对金属疲劳系统的研究。时至今日，疲劳相关研究领域发展蓬勃，有关疲劳研究的文章已超15万篇。

凡赛尔铁路事故

2.疲劳性能的影响因素

根据目前的研究，影响疲劳性能的因素有很多，主要总结如下：

表1 影响疲劳性能的因素

工作环境的影响：金属材料的疲劳极限一般是随着温度的降低而增加的。但随着温度的下降，材料的断裂韧性也下降，表现出低温脆性。一旦出现裂纹，则易于发生失稳断裂。对此，应当十分注意。高温将降低材料的强度，可能引起蠕变，对疲劳也是不利的。同时还应注意，为改善疲劳性能而引入的残余应力，也会因温度升高而消失。

在海水、水蒸气、酸、碱溶液等腐蚀介质环境下的疲劳，腐蚀介质的作用对疲劳是不利的。腐蚀疲劳过程是力学作用与化学作用的综合过程，其破坏机理十分复杂。腐蚀环境通常会使材料表面氧化。在一般的情况下，氧化膜层可起保护作用，以免金属材料进一步受到腐蚀。但在疲劳载荷作用下，将使氧化膜层局部开裂，新的表面再次暴露于腐蚀环境中，造成再次腐蚀并在材料表面逐步形成腐蚀坑。腐蚀使表面粗糙，腐蚀坑形成应力集中，加快了裂纹的萌生，使寿命缩短。这是对裂纹萌生阶段腐蚀疲劳的最一般的解释。

图3 桥梁的设计要考虑腐蚀疲劳

载荷状态的影响：材料疲劳极限的大致规律是——弯曲疲劳极限＞拉伸疲劳极限＞扭转疲劳极限。假定作用应力水平相同，拉压时高应力区体积等于试件整个试验段的体积，如图4所示：

不同载荷状态下的高应力区

弯曲情形下的高应力区体积则要小得多。疲劳破坏主要取决于作用应力的大小和材料抵抗疲劳破坏的能力，故疲劳破坏通常发生在高应力区或材料缺陷处。假如图中作用的循环最大应力相等，因为拉压循环时高应力区域的材料体积较大，存在缺陷并由此引发裂纹萌生的可能性也大。所以，同样的应力水平作用下，拉压循环载荷作用时的寿命比弯曲时短。或者说，同样寿命下，拉压循环下的疲劳强度比弯曲时低。

零件几何形状的影响：应力水平相同时，试件尺寸越大，高应力区域材料体积就越大。疲劳发生在高应力区材料最薄弱处，体积越大，存在缺陷或薄弱处的可能性就越大，故大尺寸构件的疲劳抗力低于小尺寸试件。或者说，在给定寿命下，大尺寸构件的疲劳强度下降；在给定的应力水平下，大尺寸构件的疲劳寿命降低。这就是疲劳的尺寸效应。

除此之外疲劳还存在缺口效应。在零件中难免出现孔洞这样的几何缺口。缺口会引起应力不集中的现象，不同形状的缺口会引起程度的应力集中。在应力集中区更容易萌生疲劳裂纹源，而且促进裂纹的扩展。尖锐的缺口会产生更加严重的应力集中现象，位置很靠近的多个缺口导致的影响区相互叠加也会使材料更容易产生疲劳现象。

带孔试样拉伸试验时明显的应力集中

表面状态的影响：由疲劳的局部性显然可知，若试件表面粗糙，将使局部应力集中的程度加大，裂纹萌生寿命缩短。而且，材料强度越高，光洁度的影响越大。另外，应力水平越低，寿命越长，光洁度的影响越大。表面加工时的划痕、碰伤，可能就是潜在的裂纹源，应当注意防止碰划。

除表面光洁度的影响外，对工件表面进行抗疲劳处理也可以改善疲劳性能。表面喷丸处理，销、轴、螺栓类零件冷挤压加工，坚固件干涉配合等，在零构件表面引入残余压应力，都是提高疲劳寿命常用的方法。材料强度越高，循环应力水平越低，寿命越长，延长寿命的效果越好。在有应力梯度或缺口应力集中处采用喷丸处理，效果更好。表面渗碳或渗氮处理，可以提高表面材料的强度并在材料表面引入压缩残余应力，这两种作用对于提高材料疲劳性能都是有利的。

玻璃丸喷丸处理使钛合金的疲劳寿命增加

尽管科研工作者在疲劳领域进行了大量的研究，人们对疲劳的认知还是十分有限的。如何才能提高材料的疲劳性能，怎样才可以加工制造出真正“长生不老”的材料，仍然是一个值得投入大量精力研究的课题。