在循環加載下，發生在材料某點處局部的、永久性的損傷遞增過程。經足夠的應力或應變循環后，損傷累積可使材料產生裂紋 ,或使裂紋進一步擴展至完全斷裂。出現可見裂紋或者完全斷裂都叫疲勞破壞。法國的 J.-V.彭賽列于1839年首先論述了疲勞問題并提出“疲勞”這一術語。但疲勞研究的奠基人則是德國的A.沃勒。他在19世紀50～60年代首先得到表征疲勞性能的S-N曲線,并提出疲勞極限的概念。疲勞研究雖有百余年歷史，文獻極多，但理論不夠完善。近年來，斷裂力學的進展，豐富了傳統疲勞理論的內容，促進了疲勞理論的發展。當前的發展趨勢是把微觀理論和宏觀理論結合起來從本質上探究疲勞破壞的機理。 疲勞特征疲勞破壞是一種損傷積累的過程，因此它的力學特征不同于靜力破壞。不同之處主要表現為：①在循環應力遠小于靜強度極限（見材料的力學性能的情況下破壞就可能發生，但不是立刻發生的，而要經歷一段時間，甚至很長的時間；②疲勞破壞前，即使塑性材料（延性材料）有時也沒有顯著的殘余變形。 金屬疲勞破壞可分為三個階段：①微觀裂紋擴展階段。在循環加載下，由于物體內部微觀組織結構的不均勻性，某些薄弱部位首先形成微觀裂紋，此后，裂紋即沿著與主應力約成45°角的最大剪應力方向擴展。在此階段,裂紋長度大致在0.05毫米以內。若繼續加載,微觀裂紋就會發展成為宏觀裂紋。②宏觀裂紋擴展階段。裂紋基本上沿著與主應力垂直的方向擴展。借助電子顯微鏡可在斷口表面上觀察到此階段中每一應力循環所遺留的疲勞條帶。③瞬時斷裂階段。當裂紋擴大到使物體殘存截面不足以抵抗外載荷時，物體就會在某一次加載下突然斷裂。 在疲勞宏觀斷口上往往有兩個區域：光滑區域和顆粒狀區域。疲勞裂紋的起始點稱作疲勞源。實際構件上的疲勞源總是出現在應力集中區，裂紋從疲勞源向四周擴展。由于反復變形，裂紋的兩個表面時而分離，時而擠壓，這樣就形成了光滑區域，即疲勞裂紋第二階段擴展區域。第三階段的瞬時斷裂區域表面呈現較粗糙的顆粒狀。如果循環應力的變化不是穩態的，應力幅不保持恒定,裂紋擴展忽快、忽慢或者停頓,則在光滑區域上用肉眼可看到貝殼狀或海灘狀紋跡的疲勞弧線 。 循環應力疲勞破壞是在循環應力或循環應變作用下發生的。為了便于研究和分析疲勞問題，國際上對循環應力表示法已作出統一規定。循環應力的每一個周期變化稱作一個應力循環。圖4所示的恒幅循環應力由以下諸分量表示:①最大應力σ,應力循環中最大代數值的應力,以拉應力為正,壓應力為負。②最小應力σ,應力循環中最小代數值的應力,以拉應力為正，壓應力為負。③平均應力σ嚧，最大應力和最小應力的代數平均值，即σ嚧＝(σ+σ)。④應力幅σa,最大應力和最小應力的代數差的一半，即σa=(σ－σ)。有些國家的文獻將σa稱作交變應力,但在中國常用交變應力一詞表示循環應力。⑤應力變程σr，又稱應力范圍，是最大應力與最小應力之差，即應力幅的兩倍。⑥應力比R,又稱循環特征，是最小應力與最大應力的代數比值，即。R =－1的應力循環稱為對稱循環，其最大應力和最小應力絕對值相等，符號相反，且平均應力為零；R＝0的應力循環稱為脈動循環，其最小應力為零；R等于其他值的應力循環稱為非對稱循環。 恒幅循環應變的表示法與此類似。 應力循環可以看成兩部分應力的組合，一部分是數值等于平均應力σ嚧的靜應力，另一部分是在平均應力上變化的動應力。在四個應力分量σ、σ、σa、σ嚧中只有兩個是獨立的。任意給定兩個，其余兩個就能確定。 用來確定應力循環的一對應力分量σ、σ或σa、σ嚧稱為應力水平。對恒幅循環應力,當給定R或σ嚧時,應力水平可由σ或σa表示。產生疲勞破壞所需的循環數取決于應力水平的高低，破壞循環數越大，表示施加的應力水平越低。 疲勞壽命在循環加載下，產生疲勞破壞所需的應力或應變循環數稱為疲勞壽命。對實際構件，疲勞壽命常以工作小時計。構件在出現工程裂紋以前的疲勞壽命稱為裂紋形成壽命或裂紋起始壽命。工程裂紋指宏觀可見的或可檢的裂紋,其長度無統一規定,一般在0.2～1.0毫米范圍內。自工程裂紋擴展至完全斷裂的疲勞壽命稱為裂紋擴展壽命。總壽命是二者之和。因為工程裂紋長度遠大于金屬晶粒尺寸，故可將裂紋作為物體邊界，并將其周圍材料視作均勻的連續介質，應用斷裂力學方法研究裂紋擴展規律。 為了便于分析研究，常常按破壞循環次數的高低將疲勞分為兩類：①高循環疲勞（高周疲勞）：破壞循環次數高于104～105的疲勞，一般振動元件、傳動軸等的疲勞屬此類。其特點是：作用于構件上的應力水平較低，應力和應變呈線性關系。②低循環疲勞(低周疲勞)：破壞循環次數低于104～105的疲勞，典型實例有壓力容器、燃氣輪機構件等的疲勞。其特點是：作用于構件的應力水平較高，材料處于塑性狀態。很多實際構件在變幅循環應力作用下的疲勞既不是純高循環疲勞也不是純低循環疲勞，而是二者的綜合。 相應地，裂紋擴展也分為高循環和低循環兩類。高循環疲勞裂紋擴展規律可利用線彈性斷裂力學方法研究；低循環疲勞裂紋擴展規律一般應采用彈塑性斷裂力學方法研究，不過由于問題十分復雜，尚未很好地解決。 實踐表明，疲勞壽命分散性較大，高循環疲勞尤其如此，因此必須進行統計分析,考慮存活（概）率(即可靠度)的問題。具有存活率p(如95％、99％、99.9％)的疲勞壽命Np的含義是:總體（母體）中有p的個體的疲勞壽命大于Np。而破壞（概）率等于(1-p)。 對應于高存活率或低破壞率的疲勞壽命，在設計上稱為安全壽命。 疲勞問題范疇極為廣泛。按材料性質及其工作環境劃分，除一般金屬疲勞外，還包括有非金屬疲勞、高溫疲勞、熱疲勞（由循環熱應力引起）、腐蝕疲勞、擦傷疲勞、聲疲勞（由噪聲激勵引起）、沖擊疲勞、接觸疲勞等。金屬疲勞壽命預估側重于力學方面，并且是普遍關注的研究課題。為了進行疲勞壽命的理論估算和試驗，首先必須了解材料的疲勞性能，以此作為理論計算的依據。其次，疲勞壽命的長短取決于所承受的循環載荷大小，為此還必須編制出供理論分析和全尺寸疲勞試驗用的載荷譜。最后，根據材料的疲勞性能和載荷譜估算出疲勞壽命。以下分別加以介紹： 疲勞性能材料抵抗疲勞破壞的能力。高循環疲勞的裂紋形成階段的疲勞性能常以S-N曲線表征，S為應力水平，N為疲勞壽命。S-N曲線需通過試驗測定，試驗采用小型標準試件或實際構件。若采用小型標準試件，則試件裂紋擴展壽命較短，常以斷裂時循環次數作為裂紋形成壽命。試驗在給定應力比R或平均應力σ嚧的前提下進行,根據不同應力水平的試驗結果,以最大應力σ或應力幅σa為縱坐標,疲勞壽命N為橫坐標繪制S-N曲線(圖5)。表示壽命的橫坐標采用對數標尺;表示應力的縱坐標采用算術標尺或對數標尺。在S-N 曲線上，對應某一壽命值的最大應力σ或應力幅σa稱為疲勞強度。疲勞強度一詞也泛指與疲勞有關的強度問題。為了模擬實際構件缺口處的應力集中以及研究材料對應力集中的敏感性,常需測定不同應力集中系數下的S-N曲線。 對試驗結果進行統計分析后,根據某一存活率p的安全壽命所繪制的應力和安全壽命之間的關系曲線稱為p-S-N曲線。 50％存活率的應力和疲勞壽命之間的關系曲線稱為中值S-N曲線，也簡稱S-N曲線。 當循環應力中的最大應力σ小于某一極限值時，試件可經受無限次應力循環而不產生疲勞裂紋；當σ大于該極限值時，試件經有限次應力循環就會產生疲勞裂紋，該極限應力值就稱為疲勞極限，或持久極限。如圖5中S-N曲線的水平線段對應的縱坐標就是疲勞極限。 鑒于疲勞極限存在較大的分散性，人們根據現代統計學觀點，把疲勞極限定義為：指定循環基數下的中值（50％存活率）疲勞強度。對于 S-N曲線具有水平線段的材料，循環基數取107；對于S-N曲線無水平線段的材料（如鋁合金），循環基數取107～108。