金属疲劳是指金属材料在循环应力或循环应变作用下，经过一定次数的应力循环后，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，最终导致裂纹产生或突然发生完全断裂的现象。

金属疲劳过程是一个累积损伤的过程。累积损伤的机理是一个复杂且关键的问题，它涉及到材料在循环应力或应变作用下的逐步损伤和最终断裂。金属的疲劳主要经历三个典型阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和瞬时断裂。

疲劳裂纹的萌生

金属疲劳通常发生在材料受到多次重复变化的载荷作用时，这种载荷可以是机械应力，也可以是温度等引起的应变。金属内部结构的不均匀性，如夹杂物、疏松或晶粒不连续分布等，会导致应力传递的不平衡，形成应力集中区域。这些区域在循环应力的作用下，更容易产生疲劳裂纹。

在循环应力的长期作用下，金属内部会发生循环滑移并形成循环滑移带。这些滑移带中的某些区域由于应力集中和塑性变形的累积，会逐渐产生微小的裂纹，即疲劳裂纹的萌生。

材料中的第二相或夹杂物与基体之间的界面，以及晶界处，由于位错塞积和应力集中的存在，也容易成为疲劳裂纹的萌生点。

疲劳裂纹的扩展与瞬时断裂

一旦疲劳裂纹萌生，它会在循环应力的作用下沿着最大切应力面和通过晶粒边界进行亚稳扩展。这个过程中，裂纹的长度会逐渐增加，但扩展速度相对较慢。随着裂纹长度的增加和应力的进一步集中，裂纹扩展的速度会逐渐加快。当裂纹扩展到一定程度时，它可能会导致材料的突然断裂。

疲劳损伤的累积损伤

在循环应力的作用下，金属内部的损伤会逐渐累积。这种损伤包括塑性变形、微裂纹的形成和扩展等。随着损伤的不断累积，材料的性能会逐渐下降。在累积损伤期，位错不断在金属内部形成，在晶界处塞积。见图X透射电镜图像。

金属构件的疲劳寿命

金属的疲劳寿命通常由疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命组成。在萌生期，主要发生的是微小的塑性变形和微裂纹的形成；在扩展期，裂纹会逐渐扩展并导致材料的最终断裂。通常，在应力较大的情况下，金属构件容易发生多源疲劳，在应力较低的情况下，倾向于发生单源疲劳。通常裂纹萌生寿命占总寿命90%以上，因而表面强化是改善金属构件疲劳寿命的重要方法，如机械喷丸、激光喷丸等。

金属材料疲劳寿命的影响因素

材料的性质。材料的化学成分、微观结构、强度等性质都会影响其抗疲劳性能。例如，添加稀土元素等“维生素”可以显著提高金属的抗疲劳能力。

应力条件。应力的大小、方向、频率等都会影响金属的疲劳损伤过程。特别是交变应力在远小于静强度极限甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。

环境因素。温度、腐蚀介质等环境因素也会对金属的疲劳性能产生影响。例如，高温会加速裂纹的扩展过程；腐蚀介质会加速材料的腐蚀和疲劳破坏。

金属构件疲劳断裂的影响因素

材料的强度。一般来说，材料的强度越高，其抗疲劳性能通常越好。但这也取决于材料的类型和具体的应力条件。

应力集中。材料表面的缺陷、几何形状的突变或内部的不均匀性会导致应力集中，增加疲劳裂纹的萌生概率。

循环加载频率。加载频率对金属的疲劳寿命有一定影响。通常情况下，加载频率较低时，由于热效应的影响，疲劳寿命可能会增加。但这也取决于具体的材料和应力条件。

温度。温度的升高可能会降低材料的疲劳寿命，因为高温会导致材料内部应力的重新分布和加速裂纹的扩展。

腐蚀环境。在腐蚀环境中，金属材料的疲劳寿命会显著降低。腐蚀会加速裂纹的扩展过程，导致材料更早地发生断裂。

金属疲劳断裂实例

汽轮机在启动和停机过程中，由于蒸汽温度的变化较大，转子表面和汽缸壁会受到很大的热应力冲击。这种热应力是交变的，因此可能导致金属材料的疲劳破坏。同样地，在锅炉的承压容器中，压力的波动和温度的波动也是导致疲劳破坏的重要原因。

综上所述，金属疲劳是一种在循环应力或应变作用下发生的材料破坏现象，其发生和发展受到多种因素的影响。为了延长金属材料的使用寿命和确保设备的安全运行，需要充分了解金属疲劳的机理和影响因素，并采取相应的预防措施。