金屬材料的疲勞損傷過(guò)程，一般有以下幾個(gè)階段：滑移、裂紋萌生、微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展、瞬時(shí)斷裂。

金屬零件形成疲勞裂紋的方式很多，有的發(fā)生在金屬晶體表面、晶界或金屬內(nèi)部非金屬夾雜與基體交界處；有的發(fā)生在零件表面原有的缺陷處，如表面機(jī)械劃傷、焊接裂紋、腐蝕小坑、鍛造缺陷、脫碳等；有的是因零件的結(jié)構(gòu)形狀造成應(yīng)力集中而形成疲勞裂紋萌生源，如零件上的內(nèi)、外圓角、鍵槽、缺口等處。

（1）變應(yīng)力作用下金屬的滑移及微觀疲勞裂紋的產(chǎn)生表面無(wú)缺陷的試件在變應(yīng)力的作用下，金屬表面開(kāi)始滑移（圖1），直到微觀疲勞裂紋產(chǎn)生。這是疲勞失效的第一階段（圖2）。裂紋沿著與拉力軸向成45°角的最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展，生長(zhǎng)到一定的長(zhǎng)度后，逐漸改變方向，最后沿著與拉應(yīng)力成垂直的方向生長(zhǎng)，進(jìn)入裂紋擴(kuò)展的第二階段。

在多晶金屬的晶界上，也是初始疲勞裂紋易萌生的地區(qū)。金屬中的非金屬夾雜物與基體的交界處，往往是疲勞裂紋優(yōu)先產(chǎn)生的地區(qū)。

（2）疲勞裂紋的擴(kuò)展及材料的斷裂第一階段的微觀裂紋擴(kuò)展進(jìn)入到第二階段的宏觀裂紋時(shí)，擴(kuò)展速度增加。裂紋尖端部分向前擴(kuò)展的過(guò)程中，所承受的應(yīng)力較大時(shí)，尖端附近部分形成塑性變形區(qū)。如果應(yīng)力較小，則以彈性變形為主。因此，在宏觀裂紋的擴(kuò)展階段中，有兩種類(lèi)型：裂紋在彈性區(qū)內(nèi)擴(kuò)展和裂紋在塑性區(qū)內(nèi)擴(kuò)展。前一種情況，裂紋長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)裂紋頂端的塑性區(qū)尺寸，即塑性區(qū)很小，如圖3所示。承受高循環(huán)次數(shù)、低應(yīng)力、低裂紋擴(kuò)展率的零件，其疲勞裂紋擴(kuò)展屬于這種情況。在這種條件下產(chǎn)生的破壞，稱為應(yīng)力疲勞破壞。

而后一種情況，裂紋長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塑性區(qū)的尺寸。承受低循環(huán)次數(shù)、高應(yīng)力、高裂紋擴(kuò)展率的零件，屬于這種情況。在這種條件下產(chǎn)生的破壞，稱為應(yīng)變疲勞破壞。

微觀裂紋擴(kuò)展和宏觀裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段，統(tǒng)稱為裂紋的亞臨界擴(kuò)展過(guò)程。工程斷裂力學(xué)主要研究這個(gè)過(guò)程中裂紋擴(kuò)展的規(guī)律。

如圖4所示，裂紋在變應(yīng)力作用下擴(kuò)展的模型。

在實(shí)際應(yīng)用中，有相當(dāng)一部分零件，即使出現(xiàn)宏觀可見(jiàn)裂紋，但由于疲勞裂紋擴(kuò)展緩慢，要經(jīng)歷一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間后才達(dá)到臨界尺寸而發(fā)生破壞。因此，這種裂紋的亞臨界擴(kuò)展特性為采用有限壽命設(shè)計(jì)提供了前提。

疲勞裂紋擴(kuò)展到凈截面的應(yīng)力達(dá)到材料的拉伸強(qiáng)度時(shí)（對(duì)高韌性材料），或是疲勞裂紋的長(zhǎng)度達(dá)到材料的臨界裂紋長(zhǎng)度時(shí)，便發(fā)生最終的瞬時(shí)斷裂。在斷口上往往留下清晰的疲勞條帶，稱為前沿線，這是因?yàn)榱鸭y尖端在向前擴(kuò)展時(shí)所造成的。典型的疲勞破壞斷面如圖5。

疲勞損傷與材料的種類(lèi)、應(yīng)力的類(lèi)型、應(yīng)力變化的幅度以及工作情況有關(guān)。因而，疲勞的斷裂截面也受上述因素的影響，圖6所示為在各種變應(yīng)力作用下典型的疲勞破壞斷面。

圓柱螺旋拉伸和壓縮彈簧材料在負(fù)荷作用下所受應(yīng)力為帶彎曲型的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧在負(fù)荷作用下所受應(yīng)力為帶扭轉(zhuǎn)型的彎曲應(yīng)力。板彈簧在負(fù)荷作用下所受應(yīng)力為單向彎曲應(yīng)力。

圖7為壓縮螺旋彈簧受切應(yīng)力時(shí)，疲勞失效的典型斷面圖。從斷面可以看出，疲勞破壞是由于表面裂紋（圖中箭頭所指）形成的疲勞源而造成的。