一、定義
結構在變動載荷下工作，雖然應力低於材料的但在較長時間工作後仍發生斷裂的現象叫金屬的疲勞。
疲勞斷裂金屬結構失效的一種主要形式，大量統計資料表明，由於疲勞而失效的金屬結構約佔結構的90%
工程實際中的疲勞有多種表現形式：
機械疲勞：完全由變動外載荷引起
接觸疲勞：表面間滾動接觸與交變應力共同作用
蠕變疲勞：高溫和交變應力作用
熱疲勞：溫度變化引起
本章討論的是具有典型意義和普遍意義的材料、焊接接頭和結構的機械疲勞情況。
例如：直公升飛機起落架，疲勞斷裂，裂紋從應力集中很高的角接板尖端開始，斷裂時飛機已起落2118次。
再如：載重汽車的縱樑的疲勞裂紋，該梁承受反覆的彎曲應力，在角鋼和縱樑的焊接處，因應力集中很高而產生裂紋，開裂時該車執行3萬公里。
可見，疲勞斷裂是在正常的工作應力作用下經較長時間後產生的，也就是說疲勞斷裂的結構是在應力低於許用應力的情況下產生的，這使我們聯想到結構的低應力脆斷，疲勞和脆斷都是在低應力作用下產生的，那麼它們之間有什麼相同點和不同點呢？
二、疲勞和脆斷的比較
疲勞和脆斷都是低應力情況下的破壞，那麼它們之間有什麼異同呢？
三、疲勞的型別
根據構件所受應力的大小、應力交變頻率的高低，通常可以把金屬的疲勞分為2類：
一類為高速疲勞它是在應力低，應力交變頻率高的情況下產生的，也叫應力疲勞，即通常所說的疲勞；
另一類為低周疲勞，它是在應力高，工作應力近於或高於材料的屈服強度，應力交變頻率低斷裂時應力交變周次少（少於102—105次）的情況下產生的疲勞，也叫應變疲勞。
1、高速疲勞（應力疲勞）： 載荷小（應力小），頻率高，裂紋擴充套件速率小。
2、低周疲勞（應變疲勞）： 應力高，頻率低，裂紋擴充套件速率大。
焊接結構的疲勞破壞大部分屬於第二類：低周疲勞。
一、變動載荷（掌握max、min、m、a、r概念）
金屬的疲勞是在變動載荷下經過一定的迴圈周次後出現的，所以要首先了解變動載荷的性質。
變動載荷是指載荷的大小、方向或大小和方向都隨時間發生週期性變化（或無規則變化）的一類載荷。
變動載荷的變化是如此的不同，那麼該怎樣來描述它的特性呢？除了無規則的變動載荷外，變動載荷的特性可用下列幾個參量表示：
max ：應力迴圈內的最大應力
min ：應力迴圈內的最小應力
m =（max + min）/2：平均應力
a =（max－min）/2 ：應力幅值
r =min /max ：應力迴圈特徵係數，r的變化範圍是－∞～+1
下面介紹幾種典型的具有特殊迴圈特性的變動載荷：
1、對稱交變載荷
應力波形如圖，由圖可見：
這種變動載荷的min = －max
應力迴圈特徵係數r = －1 。
max、min 、平均應力m = 0 ，
應力幅值a = max
2、脈動載荷
應力波形如圖，由圖可見：
min =0 r = 0 ； max、min ；
平均應力m 與應力幅值相等，
都等於max /2 ，m =a = max /2
3、拉伸變載荷
max、min 均為拉應力，但大小不等，
0 ＜ r ＜ 1
由圖可見： max、min 、m 、a ；
由上面幾個波形圖中我們可以看出這樣乙個關係，即：
max = m ＋ a ；
min = m － a
因此我們可以把任何變動載荷看作是某個不變的平均應力，也就是靜載恆定部分和應力幅值即交變應力部分的組合。
二、疲勞強度和疲勞極限
在金屬構件的實際應用中，如果載荷的數值和方向變化頻繁時，即使載荷的數值比靜載強度小得多，甚至比材料的屈服強度小的多構件仍可能破壞，破壞前載荷的迴圈次數與變動載荷的大小和特性是有關係的，
n和及r有關，
這個關係通常用疲勞曲線來描述。
多年來，人們對疲勞的研究發現，金屬承受的最大交變應力max越大，則斷裂時應力交變的次數n越少，
即：max↑→n↓，反之 max↓→n↑，
對試樣用不同載荷進行反覆多次載入試驗，即可測得在不同載荷下使試樣破壞所需要的載入迴圈次數n，將破壞應力與載入迴圈次數n之間的關係繪成曲線就叫疲勞曲線。如圖：
該曲線的意義是：構件在變動載荷著用下所能承受的最大應力迴圈次數，
或：與各迴圈次數相對應的不破壞的最大應力。
疲勞曲線隨著應力迴圈次數n的增大而降低，當n很大時曲線趨於水平。曲線上對應於某一應力迴圈次數n的不破壞的最大應力為該迴圈次數下的疲勞強度；曲線的水平漸近線為疲勞極限。
注意：疲勞強度是與迴圈次數n相關的破壞應力；
疲勞極限是與迴圈次數n無關的，也就是說構件經無限多次應力迴圈而不破壞的最大應力。
通常在構件的疲勞設計中，出於減輕重量及經濟性考慮，並不把構件設計成永不破壞的，而是根據使用年限得出迴圈次數n，再根據迴圈次數n和疲勞強度來設計構件。
但是有些構件如：核電站，一經使用中途是不能停下來更換零部件的，這時就應該根據永不破壞的原則，按疲勞極限來設計。疲勞極限與疲勞強度的區別就在於疲勞強度是進行有限壽命設計時使用的，而疲勞極限是進行無限壽命設計時使用的。
由於疲勞斷裂時的迴圈周次很多，所以疲勞曲線的橫座標通常取對數座標，如右圖：
不同材料的疲勞曲線形狀不同，大致可分為2類，一類是具有應變時效現象的合金，如常溫下的鋼鐵材料，其疲勞曲線就是我們上面所講的，曲線上有明顯的水平部分，疲勞極限有明顯的物理意義，即：無限多應力迴圈不破壞的最大應力。
而對於沒有應變時效現象的金屬合金，如部分有色金屬合金，在高溫下或腐蝕介質中工作的鋼，它們的疲勞曲線上沒有水平部分，如右圖： 這時就規定某一n0值所對應的應力作為「條件疲勞極限」或「有限疲勞極限」， n0稱為迴圈基數，對於實際構件來講， n0值是根據構件的工作條件和使用壽命來定的。
上面講的疲勞曲線是對應於某一應力迴圈特徵係數r測定的，當r改變時，曲線上各數值的大小也將改變。
實驗發現在最大應力相同的情況下，應力迴圈的不對稱度越大，即平均應力越高（r↑、m↑），金屬斷裂前所能承受的應力迴圈次數越多。即：
max相同時，m↑→n↑ ，這是因為m↑使得a↓
這是因為材料的疲勞損傷（不均勻滑移）是由交變應力長期作用形成的，應力迴圈不對稱度越大也就是r越大，就表示應力交變幅度佔最大應力的比例越小，疲勞損傷就小，因此達到斷裂時的應力迴圈次數就多。疲勞壽命就長。
可見材料的疲勞強度與應力迴圈特徵係數r 、平均應力m都有關係，但是我們怎樣表示這個關係呢？表示這個關係的最常用的方法就是疲勞圖，從疲勞圖中我們可以得出各種迴圈特性下的疲勞強度，疲勞圖常用的主要有以下幾種：
它直接反映max與r 關係，可以明確的看出r上公升，疲勞強度也上公升，疲勞強度用 r表示，角標r 表示 r是對應於該應力特徵迴圈係數下的疲勞強度。
從圖中我們可以看出：
對稱交變載荷下的疲勞強度-1、
脈動迴圈下的疲勞強度 0。
當r=1時是靜載強度。
此圖以 max和 min為縱座標，m為橫座標，過原點作一直線與座標軸成45度角，再將震幅的數值對稱地繪再該斜線的的上下兩側，則該斜線及上下線所表示的應力為平均應力及在其上疊加的對稱交變應力。
當m =0時，表示對稱應力迴圈，故縱軸上on表示 -1；
線段oˊnˊ表示脈動迴圈時的疲勞強度 0 ;
當m = b 時，相當於靜拉伸強度，這時材料已不能再承受交變應力，故 a = 0 。
該疲勞圖告訴我們，在不同的平均應力m下，材料所能承受的最大交變應力 max及應力幅值 a，它直接表示的是疲勞強度 r與平均應力m的關係，也就是說已知平均應力m，就可以從該圖上求得r。
但是如果我們知道r 怎樣求r，也就是說怎樣從該圖上求某種迴圈係數r下的疲勞強度r呢？可用作圖法，自0點作一與水平線成α角的直線，角α根據下式確定：
該直線與圖形上部曲線的交點的縱座標就是該r 下的疲勞強度r。
圖中橫座標為平均應力 m，縱座標為應力幅值 a，曲線上各點的疲勞強度r = m + a ，使用時只要知道平均應力 m查出對應的應力幅值 a，或已知應力幅值 a，查出對應的平均應力 m，把它們的縱橫座標加起來就是疲勞強度r 。
曲線與縱軸交點a的縱座標就是對稱迴圈的疲勞強度 -1，
曲線與橫軸交點b的橫座標就是靜載強度 b，此時 a = 0 、r = 1。
若僅僅已知迴圈特徵係數r，怎樣求疲勞強度呢？仍然用作圖法，自0點作一與水平軸成α角的直線與曲線相交，並使α角滿足下式：
則交點的縱橫座標之和 m + a =r，即為迴圈係數為r時的疲勞強度r。
例如：求脈動迴圈r=0的疲勞強度，把r=0代入上式，得tgα= 1 、α=45°，所以過原點作一條45°的射線，與曲線相交，交點的縱橫座標之和就是脈動迴圈的疲勞強度。
圖中縱座標表示迴圈中的最大應力 max，橫座標表示最小應力 min，由原點發出的每一條射線代表一種迴圈特性，因為這些射線的斜率的倒數就是應力迴圈特徵係數r （= min / max ）。
例如：由原點向左與橫軸傾斜45°的直線，其斜率的倒數為負1，即r=-1 ，所以它表示交變載荷，它與曲線交點b的縱座標bb′即為交變載荷的疲勞強度 -1。
向右與橫軸傾斜45°的直線，其斜率的倒數為1，即r=1 ，所以它表示靜載情況，它與曲線交於d點，則dd′即為靜載強度。
縱軸本身又表示脈動載荷r=0 , cc′ 即為 0 。
§6-3 疲勞斷裂過程和斷口特徵
疲勞斷裂的過程一般由三個階段組成：（1）、在應力集中處產生初始疲勞裂紋——裂紋萌生；（2）、裂紋穩定擴充套件；（3）、失穩斷裂。當然在這三個階段之間是沒有嚴格界限的。
一、裂紋核心的形成
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