金属疲劳

疲劳一词在材料科学领域，意指对象因持续受到动态变化的应力而造成结构劣化。引起疲劳的动态变化应力通常远小于静态的极限拉伸应力或极限屈变应力。疲劳是渐进且局部的结构损坏过程，由于长时间日积月累而产生，所引起的破裂往往在毫无预警的情况下发生，可能直接导致事故（例如空难）的发生，因此相关的预防、检查、处理格外重要。

简介

金属疲劳在日常生活中随处可见，例如将铁丝或回纹针反复折拗几次后便会断裂。

疲劳现象发生于对象反复受应力时，可大致分为三阶段: 若应力超过一定阈值，在高应力集中点会形成微小裂缝（应力集中点包括：表面刮痕、尖锐填角、键槽、缺口等）[1]，接者，随着每次的循环应力，裂缝逐渐扩张。最后一旦裂缝达到一临界尺寸，裂缝将快速扩展，对象断裂。对象设计的形状会显著地影响疲劳寿命，例如，方孔和尖角凹槽会提高局部应力，裂缝较容易产生。相反地，若改成圆孔和圆滑凹槽，裂缝较不容易产生。

这种现象不限于固体金属，许多固体材料也都有这种现象发生。

疲劳寿命

美国材料和试验协会定义疲劳寿命 (N_f) 为某规定应力下，一材料试片破损所需应力循环数。[2] 某些材料, 特别是钢、钛合金，低于一应力振幅之下不会疲劳破损，称为疲劳极限.[3]

高周期疲劳

S-N 曲线

一般以 S-N 曲线（亦称为乌勒曲线）分析材料的疲劳特性，纵轴为循环应力震幅（Stress），横轴为应力周期数对数值（cycle）。

材料的疲劳性质可在实验室仿真取得数据，根据实际情况调整应力，并记录达到破裂所需的施力周期次数（此种测试英文名为coupon testing）。最简单的测试为正弦周期张应力-压应力。每次测试产生一数据点，但往往相同应力下，同一批试片所测得周期数会有差异，所得离散的数据需统计分析，以绘制所需的S-N 曲线。

影响疲劳寿命的因素[4]

循环应力: 寿命因应力及其效应的复杂程度而异，包括应力的周期图形、应力分布、应力幅度、平均应力、双轴应力比、同相或反相相位剪力、应力顺序等等。
表面处理: 机械切削的过程中，难免有留下微小的刮痕，凹痕处往往是应力集中处，也是降低疲劳寿命的元凶。此时，可采用珠击处理（shot peening），借由使对象表面产生残留压缩应力，抵消外来的拉伸应力，进而增加疲劳寿命。类似珠击有高速敲击的制程称为peening。另外，低塑性滚轧（Low plasticity burnishing）、雷射强化（laser peening）、超音波冲击处理（ultrasonic impact treatment）等较新颖的方法也可以产生表面残留压缩应力以增加疲劳寿命。

材料种类: 疲劳寿命以及承受循环应力时的表现特征，因材料种类而异。如:聚合物与金属比较相差甚远。

残留应力: 焊接、切削、铸造、抛磨等加工过程，牵涉热与形变，可能会产生足以降低疲劳强度的残留应力。

内部缺陷的分布及大小: 铸造缺陷如气体孔隙、非金属夹杂物、缩孔铸疵等等，会降低疲劳强度。

真空与否 : 金属等材料在空气中相较于真空环境更易疲劳，程度取决于湿度及温度高低。含氧的湿空气也是某种程度上的腐蚀剂。石油、海水等物质腐蚀性更高，可能减少更多的疲劳寿命。[5]

腐蚀环境 : 环境条件造成的腐蚀、气体脆化（gas-phase embrittlement）等腐蚀疲劳会影响疲劳寿命。

温度 : 极高温或低温会降低疲劳强度。剧烈的温差会造成热应力，而材料在低温时脆性较高，高温时易氧化或腐蚀。

裂缝闭合 : 裂缝闭合是当承受应力疲乏时，张力负载卸力（unloading）过程仍存在部分张力时，裂缝间隙已闭合。这意味者，张力高于一特定值，裂缝才会张开。塑性变形、裂缝表面生成氧化物、裂缝进水、裂缝表面粗糙为解释裂缝闭合的可能原因。裂缝闭合可减缓裂缝生长速率，用以解释比预期更长的疲劳寿命。

参考文献

Kim, W.H>; Laird, C. (1978).
Stephens, Ralph I.; Fuchs, Henry O. (2001).
Bathias, C. (1999).
Mechanics and Mechanisms of Fracture: An Introduction
P. P. Milella (2013), "In Vacuo Fatigue", Fatigue and Corrosion in Metals, Springer, pp. 768 et seq., ISBN 9788847023369