1.2.2.1　交变载荷与疲劳断裂

实际应用中，许多零件如弹簧、齿轮、曲轴、连杆等都是在交变载荷作用下工作的。所谓交变载荷，是指大小和方向随时间发生周期性循环变化的载荷，其在单位面积上的平均值称为交变应力。有规律周期性变化的交变应力，称为循环应力，如图1.10所示。

图1.10　循环应力示意图

零件在交变载荷作用下发生断裂的现象称为疲劳断裂。疲劳断裂属于低应力脆断，其特点为：断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至屈服强度；无论是韧性材料还是脆性材料，断裂前均无明显的塑性变形，是一种无预兆的、突然发生的脆性断裂，危险性极大。据统计，在机械零件的断裂失效中，80%以上属于疲劳断裂。

零件之所以产生疲劳断裂，是由于材料表面或内部有缺陷（如表面划痕、夹渣、显微裂纹等）。这些地方的应力大于屈服强度，从而产生局部塑性变形而开裂。这些微裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，使承受载荷的截面面积减小，最终断裂。

1.2.2.2　疲劳曲线与疲劳强度

大量试验证明，材料所受的最大交变应力Rmax与断裂前的应力循环次数N（也称疲劳寿命）的关系如图 1.11 所示。该曲线称为疲劳曲线，也称-R N曲线。当应力低于某一临界值时，曲线趋于水平，表明试样经无限次应力循环也不会发生疲劳断裂，所对应的应力称为疲劳极限，也叫疲劳强度，用Rr表示。但是，实际测试时不可能做到无限次应力循环，并且对于某些材料，它们的疲劳曲线上也没有水平部分，通常就规定某一循环周次下不发生断裂的应力为条件疲劳极限，也叫条件疲劳强度，用　1R-表示。通常规定普通钢的循环周次为107，有色金属、不锈钢等的循环周次为108。(www.daowen.com)

图1.11　金属疲劳曲线

1.2.2.3　疲劳断裂的特点及改进措施

疲劳是低应力循环延时断裂，即有寿命的断裂。这种寿命随应力不同而变化的关系，可用疲劳曲线来说明，即应力高，寿命短，应力低则，寿命长，当应力低于疲劳极限时，寿命可无限长；疲劳是脆性断裂，由于疲劳的应力水平一般比屈服强度低，不管是韧性材料还是脆性材料，都是脆断，是一个长期累积损伤的过程；疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感；疲劳断裂也是裂纹萌生和扩展的过程，端口上有明显的疲劳源和疲劳扩展区。

零件的疲劳强度，除了与材料本身有关外，还可以通过以下措施来提高：（1）改善零件结构形状，避免尖角、缺口、截面突变等，以免应力集中引起疲劳裂纹。（2）降低零件的表面粗糙度，提高表面加工质量，尽可能减小可能成为疲劳源的表面损伤（如刀痕、擦伤、生锈等）和缺陷（如氧化、脱碳、裂纹、夹杂物等）。

（3）采用各种表面强化处理，如喷丸和滚压，可在零件表面产生残余压应力，以抵消或降低产生疲劳裂纹扩展的拉应力，从而提高零件的疲劳强度。

（4）金属的疲劳强度和抗拉强度存在一定的比例关系。例如，当钢材的抗拉强度时，疲劳强度R-1与抗拉强度Rm之比为 0.45～0.55。因此可通过热处理适当提高Rm来提高　R-1。此外，选材时也可参考Rm来估算R-1。