金屬疲勞是指金屬材料在循環應力或循環應變作用下，經過一定次數的應力循環后，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，最終導致裂紋產生或突然發生完全斷裂的現象。

金屬疲勞過程是一個累積損傷的過程。累積損傷的機理是一個復雜且關鍵的問題，它涉及到材料在循環應力或應變作用下的逐步損傷和最終斷裂。金屬的疲勞主要經歷三個典型階段：裂紋萌生、裂紋擴展和瞬時斷裂。

疲勞裂紋的萌生

金屬疲勞通常發生在材料受到多次重復變化的載荷作用時，這種載荷可以是機械應力，也可以是溫度等引起的應變。金屬內部結構的不均勻性，如夾雜物、疏松或晶粒不連續分布等，會導致應力傳遞的不平衡，形成應力集中區域。這些區域在循環應力的作用下，更容易產生疲勞裂紋。

在循環應力的長期作用下，金屬內部會發生循環滑移并形成循環滑移帶。這些滑移帶中的某些區域由于應力集中和塑性變形的累積，會逐漸產生微小的裂紋，即疲勞裂紋的萌生。

材料中的第二相或夾雜物與基體之間的界面，以及晶界處，由于位錯塞積和應力集中的存在，也容易成為疲勞裂紋的萌生點。

疲勞裂紋的擴展與瞬時斷裂

一旦疲勞裂紋萌生，它會在循環應力的作用下沿著最大切應力面和通過晶粒邊界進行亞穩擴展。這個過程中，裂紋的長度會逐漸增加，但擴展速度相對較慢。隨著裂紋長度的增加和應力的進一步集中，裂紋擴展的速度會逐漸加快。當裂紋擴展到一定程度時，它可能會導致材料的突然斷裂。

疲勞損傷的累積損傷

在循環應力的作用下，金屬內部的損傷會逐漸累積。這種損傷包括塑性變形、微裂紋的形成和擴展等。隨著損傷的不斷累積，材料的性能會逐漸下降。在累積損傷期，位錯不斷在金屬內部形成，在晶界處塞積。見圖X透射電鏡圖像。

金屬構件的疲勞壽命

金屬的疲勞壽命通常由疲勞裂紋萌生壽命和裂紋擴展壽命組成。在萌生期，主要發生的是微小的塑性變形和微裂紋的形成；在擴展期，裂紋會逐漸擴展并導致材料的最終斷裂。通常，在應力較大的情況下，金屬構件容易發生多源疲勞，在應力較低的情況下，傾向于發生單源疲勞。通常裂紋萌生壽命占總壽命90%以上，因而表面強化是改善金屬構件疲勞壽命的重要方法，如機械噴丸、激光噴丸等。

金屬材料疲勞壽命的影響因素

材料的性質。材料的化學成分、微觀結構、強度等性質都會影響其抗疲勞性能。例如，添加稀土元素等“維生素”可以顯著提高金屬的抗疲勞能力。

應力條件。應力的大小、方向、頻率等都會影響金屬的疲勞損傷過程。特別是交變應力在遠小于靜強度極限甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發生。

環境因素。溫度、腐蝕介質等環境因素也會對金屬的疲勞性能產生影響。例如，高溫會加速裂紋的擴展過程；腐蝕介質會加速材料的腐蝕和疲勞破壞。

金屬構件疲勞斷裂的影響因素

材料的強度。一般來說，材料的強度越高，其抗疲勞性能通常越好。但這也取決于材料的類型和具體的應力條件。

應力集中。材料表面的缺陷、幾何形狀的突變或內部的不均勻性會導致應力集中，增加疲勞裂紋的萌生概率。

循環加載頻率。加載頻率對金屬的疲勞壽命有一定影響。通常情況下，加載頻率較低時，由于熱效應的影響，疲勞壽命可能會增加。但這也取決于具體的材料和應力條件。

溫度。溫度的升高可能會降低材料的疲勞壽命，因為高溫會導致材料內部應力的重新分布和加速裂紋的擴展。

腐蝕環境。在腐蝕環境中，金屬材料的疲勞壽命會顯著降低。腐蝕會加速裂紋的擴展過程，導致材料更早地發生斷裂。

金屬疲勞斷裂實例

汽輪機在啟動和停機過程中，由于蒸汽溫度的變化較大，轉子表面和汽缸壁會受到很大的熱應力沖擊。這種熱應力是交變的，因此可能導致金屬材料的疲勞破壞。同樣地，在鍋爐的承壓容器中，壓力的波動和溫度的波動也是導致疲勞破壞的重要原因。

綜上所述，金屬疲勞是一種在循環應力或應變作用下發生的材料破壞現象，其發生和發展受到多種因素的影響。為了延長金屬材料的使用壽命和確保設備的安全運行，需要充分了解金屬疲勞的機理和影響因素，并采取相應的預防措施。