疲劳现象是工程结构失效的主要原因之一，结构材料在重复荷载作用下会发生低于静载强度的脆性破坏。自19世纪以来，对疲劳破坏的研究积累了丰富的知识，特别是在疲劳现象的观察、疲劳寿命的预测和疲劳设计方面。20世纪50年代，断裂力学的发展进一步推动了疲劳裂纹扩展规律及失效控制的研究。
01 疲劳断裂破坏的严重性
- 1936年比利时，比阿尔拜特运河上的全焊桥因设计不合理、应力集中严重、施工质量差，在-20℃低温下发生典型脆断。
- 1951年加拿大，6个55m和2个45.8m跨度的钢桥，在-35℃低温下断成数截。
- 1962年澳大利亚，钢梁桥因钢材含碳量高、焊接性较差、断面急骤变化，在应力集中处发生脆断。
- 1965年英国，北海油田钻井架的升降连接杆处有气切火口裂纹，钢材试验冲击值低，在3℃时开裂。
- 1967年美国，普莱森特角悬索桥的一吊杆耳环发生裂纹并扩展，造成吊杆断裂，从而引发三跨桥梁在60秒内倒塌。
02 什么是疲劳
美国试验与材料协会（ASTM）定义疲劳为：“在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。”这一定义强调了疲劳问题的特点：
- 只有在承受扰动应力作用下疲劳才会发生。
- 疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部。
- 疲劳破坏是在足够多次扰动荷载作用后发生。
- 疲劳是一个发展过程，结构一开始使用就在扰动应力的作用下进入了疲劳的发展过程。
03 疲劳破坏机理和断口特征
疲劳裂纹的断口特征包括有裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。裂纹扩展区断面较光滑平整，通常有“海滩条”，有腐蚀痕迹。裂纹通常出现在高应力区或材料缺陷处。即使是延性材料也没有明显的塑性变形。
04 疲劳裂纹萌生机理
裂纹起源于高应力处，可能出现在应力集中处或构件表面。在循环应力作用下，材料表面发生滑移带“挤出”和“凹入”，进一步形成应力集中，导致微裂纹产生。
05 疲劳裂纹扩展机制
在循环荷载作用下，由滑移带形成的微裂纹沿45o最大剪应力作用面扩展，逐步汇聚成一条主裂纹，并由沿最大剪应力作用面转向沿垂直于最大拉应力面扩展。疲劳性能与材料自身性能密切相关。
