疲勞過(guò)程包括疲勞裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展及最后失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段，其疲勞壽命Nf由疲勞裂紋萌生期N0和裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展期Np所組成。
了解疲勞各階段的物理過(guò)程，對(duì)認(rèn)識(shí)疲勞本質(zhì)、分析疲勞原因，采取強(qiáng)韌化措施，延長(zhǎng)疲勞壽命都是很有意義的。
1、疲勞裂紋萌生過(guò)程及機(jī)理
宏觀疲勞裂紋是由微觀裂紋的形成、長(zhǎng)大及連接而成的，常將0.05~0.1mm的裂紋定為疲勞裂紋核，并由此確定疲勞裂紋萌生期。
疲勞微觀裂紋都是由不均勻的局部滑移和顯微開(kāi)裂引起的，主要方式有表面滑移帶開(kāi)裂，第二相、夾雜物或其界面開(kāi)裂，晶界或亞晶界開(kāi)裂等。
用電解拋光方法很難將已產(chǎn)生的表面循環(huán)滑移帶去除，即使能去除，當(dāng)對(duì)試樣重新循環(huán)加載時(shí)，則循環(huán)滑移帶又在原處出現(xiàn)，這種永留或再現(xiàn)的循環(huán)滑移帶稱為駐留滑移帶。
隨著加載循環(huán)周次的增加，循環(huán)滑移帶不斷加寬，當(dāng)加寬到一定程度時(shí)，由于位錯(cuò)的塞積和交割作用，便在駐留滑移帶形成微裂紋。
駐留滑移帶在加寬過(guò)程中，還會(huì)出現(xiàn)擠出脊和侵入溝，于是產(chǎn)生應(yīng)力集中和空洞，經(jīng)過(guò)一定循環(huán)后也會(huì)產(chǎn)生微裂紋。
只要提高材料的滑移抗力，如采用固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等手段，均可以阻止疲勞裂紋的萌生，提高疲勞強(qiáng)度。
（一）相界面開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋
在疲勞失效分析中，常常發(fā)現(xiàn)很多疲勞源都是由材料中的第二相或夾雜物引起的，因此提出了第二相、夾雜物本身開(kāi)裂的疲勞裂紋萌生機(jī)理。
只要能降低第二相或夾雜物的脆性，提高相界面強(qiáng)度，控制第二相或夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、大小和分布，使之“少、圓、小、勻”，均可抵制或延緩裂紋在第二相或夾雜物附近萌生，提高疲勞強(qiáng)度。
（二）晶界開(kāi)裂產(chǎn)生裂紋
多晶材料由于晶界的存在和相鄰晶粒的不同取向性，位錯(cuò)在某一晶粒內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到晶界的阻礙作用，在晶界處發(fā)生位錯(cuò)塞積和應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力不斷循環(huán)，晶界處的應(yīng)力集中得不到松弛時(shí)，則應(yīng)力峰越來(lái)越高，當(dāng)超過(guò)晶界強(qiáng)度時(shí)就會(huì)在晶界上產(chǎn)生裂紋。
凡是使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔點(diǎn)夾雜物等有害元素和成分偏析、晶界析氫及晶粒粗化等，均易產(chǎn)生晶界裂紋，降低疲勞強(qiáng)度。
2、疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程及機(jī)理
根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋擴(kuò)展可分為兩個(gè)階段：
第一階段：從表面?zhèn)€別侵入溝（或擠出脊）先形成微裂紋，然后裂紋主要沿主滑移系方向，以純剪切方式向內(nèi)擴(kuò)展。
此階段，裂紋擴(kuò)展速率很低，每個(gè)應(yīng)力循環(huán)約有0.1微米數(shù)量級(jí)的擴(kuò)展率，
許多鐵合金、鋁合金中可觀察到此階段裂紋擴(kuò)展，但缺口試樣中可能觀察不到。
第一階段裂紋擴(kuò)展時(shí)，由于晶界的不斷阻礙作用，裂紋擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)向垂直拉應(yīng)力方向，進(jìn)入第二階段擴(kuò)展。
在室溫和無(wú)腐蝕的條件下疲勞裂紋擴(kuò)展為穿晶狀態(tài)，此階段的大部分循環(huán)周期內(nèi)，裂紋擴(kuò)展速率約為10-5~10-2 mm/次，正與
曲線的II區(qū)相對(duì)應(yīng)，所以第二階段是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展的主要部分。
SEM分析表明：第二階段的斷口特征是具有略呈彎曲并相互平行的溝槽花樣，稱為疲勞條帶（條紋）。它是裂紋擴(kuò)展時(shí)留下的微觀痕跡，每條帶可以視為應(yīng)力循環(huán)的擴(kuò)展痕跡，裂紋的擴(kuò)展方向與條帶垂直。
一般來(lái)講，材料強(qiáng)度越低，裂紋擴(kuò)展越快，疲勞條帶越寬。
3、表面狀態(tài)的影響
（一）應(yīng)力集中
機(jī)件表面的缺口應(yīng)力集中，往往是引起疲勞破壞的主要原因。
（二）表面粗糙度
表面的微觀幾何形狀，如刀痕、擦傷和磨裂等，都能像微小而鋒利的缺口一樣，引起應(yīng)力集中，降低疲勞極限。
表面粗糙度越低，材料的疲勞極限越高；
表面粗糙度越高，材料的疲勞極限越低；
材料強(qiáng)度越高，表面粗糙度對(duì)疲勞極限的影響越顯著。
表面脫碳、氧化等缺陷也會(huì)降低疲勞強(qiáng)度。
4、殘余應(yīng)力及表面強(qiáng)化的影響
殘余應(yīng)力可以與外加工作應(yīng)力疊加，構(gòu)成合成總應(yīng)力：
疊加殘余壓應(yīng)力，總應(yīng)力減小，疊加殘余拉應(yīng)力，總應(yīng)力增大。
因此，機(jī)件表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)疲勞強(qiáng)度（主要低應(yīng)力高周疲勞強(qiáng)度）有顯著影響。
殘余壓應(yīng)力提高疲勞強(qiáng)度；
殘余拉應(yīng)力降低疲勞強(qiáng)度。
表面強(qiáng)化處理可在機(jī)件表面產(chǎn)生有利的殘余壓應(yīng)力，同時(shí)還能提高機(jī)件表面的強(qiáng)度和硬度，從而提高疲勞強(qiáng)度。
5、表面強(qiáng)化方法包括
(一) 表面噴丸及滾壓
噴丸是用壓縮空氣將堅(jiān)硬的彈丸高速噴打向機(jī)件表面，使機(jī)件表面產(chǎn)生局部形變強(qiáng)化，同時(shí)因塑變層周?chē)膹椥约s束，又在塑變層內(nèi)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。
噴丸強(qiáng)化的效果與被噴的材料強(qiáng)度有關(guān)，材料強(qiáng)度越高，噴丸效果越好，所以一般機(jī)件的噴丸總是在熱處理強(qiáng)化后進(jìn)行。
表面滾壓和噴丸的作用相似，但是其壓應(yīng)力層深度較大，很適用于大工件，而且表面粗糙度低時(shí)，強(qiáng)化效果更好。
(二) 表面熱處理及化學(xué)熱處理
表面淬火包括火焰加熱淬火、感應(yīng)加熱淬火和低淬透性鋼的整體加熱薄殼淬火等。
表面化學(xué)熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲等。它們都是利用組織相變獲得表面強(qiáng)化的工藝方法，也是常用的表面強(qiáng)化方法。
在有效提高疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的同時(shí)，可提高表面耐磨性和耐蝕性。
表面淬火后要減少磨削。
6、材料成分及組織的影響
（一）合金成分
在各種結(jié)構(gòu)工程材料中，結(jié)構(gòu)鋼的疲勞強(qiáng)度最高，這類鋼中碳是影響疲勞強(qiáng)度的重要元素。碳既可間隙固溶形成基體，又可形成彌散碳化物進(jìn)行彌散強(qiáng)化，提高材料的形變抗力，阻止循環(huán)滑移帶的形成和開(kāi)裂，從而阻止疲勞裂紋的萌生和提高疲勞強(qiáng)度。
合金元素：1、提高鋼的淬透性；2、改善鋼的強(qiáng)韌性。
（二）顯微組織
細(xì)化晶粒可以提高材料的疲勞強(qiáng)度。
結(jié)構(gòu)鋼的熱處理組織也影響疲勞強(qiáng)度。正火組織因碳化物為片狀，其疲勞強(qiáng)度最低，淬火回火組織因碳化物為粒狀，其疲勞強(qiáng)度比正火的高。
（三）非金屬夾雜物及冶金缺陷
非金屬夾雜物是鋼在冶煉時(shí)形成的，它對(duì)疲勞強(qiáng)度有明顯的影響，減少夾雜物的數(shù)量及尺寸都能有效提高疲勞強(qiáng)度；
氣孔、縮孔、偏析、折疊等冶金缺陷，會(huì)降低機(jī)件的疲勞強(qiáng)度。
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