静强度设计解决的是“会不会断”的问题。但很多机械零件不是在最大载荷下断裂的，而是在远低于材料强度的交变载荷下，经过成千上万次循环后突然失效。这就是疲劳破坏。

疲劳破坏没有明显的塑性变形，来得突然，后果严重。设计时如果只考虑静强度，不考虑疲劳，就是埋了一颗看不见的定时炸弹。

一、疲劳破坏的基本特征

疲劳的三个特点

载荷远低于材料的静强度，甚至不到屈服强度的一半，但反复作用足够多次后，零件会断裂。

断裂是突然的。疲劳裂纹萌生和扩展的过程是渐进的，但到达临界尺寸后的断裂是一瞬间的事。断裂前没有明显的塑性变形，很难提前发现。

对表面敏感。疲劳裂纹总是从表面或内部缺陷处萌生。表面光洁度、加工刀痕、划伤、腐蚀坑，都可能成为疲劳裂纹的起点。

疲劳寿命的阶段

裂纹萌生期约占疲劳寿命的80%-90%，在应力集中的位置（表面缺陷、尖角、刀痕）形成微观裂纹。裂纹扩展期约占10%-20%，微观裂纹逐渐长大成为宏观裂纹。最终断裂期短，裂纹扩展到临界尺寸，零件突然断裂。

控制表面质量、消除应力集中，可以大幅延长疲劳寿命。

二、影响疲劳强度的主要因素

应力集中

应力集中是疲劳的大敌。台阶、键槽、油孔、螺纹、尖角——这些地方应力会成倍增加。一个零件的疲劳强度，往往不是由名义应力决定的，而是由应力集中处的峰值应力决定的。

一个直径10mm的轴，在台阶处过渡圆角R=0.5mm时，应力集中系数约2.5，名义应力100MPa时峰值应力达到250MPa。将圆角增大到R=2mm，应力集中系数降到1.5，疲劳强度可提升约50%。

表面状态

疲劳裂纹从表面开始。表面越粗糙，微小的刀痕和划痕就越多，每个刀痕都是一个微裂纹。车削表面的疲劳强度比抛光表面低20%-40%。磨削表面比车削表面好，但磨削烧伤反而会降低疲劳强度。重要零件尽量磨削或抛光，加工刀痕方向应与受力方向一致。

尺寸效应

零件尺寸越大，疲劳强度越低。大零件包含更多缺陷的概率更高，应力梯度不同，大零件的高应力区域更大。用小试件测得的疲劳数据，不能直接用于大零件。

加载方式

旋转弯曲疲劳强度最高，因为应力梯度大，只有表面应力最高。拉压疲劳强度次之，整个截面应力均匀。扭转疲劳强度最低，通常约为弯曲疲劳强度的0.6倍。

三、抗疲劳设计的原则

消除应力集中

能圆角不要尖角。台阶过渡处用圆角，不用直角，圆角半径越大越好。无法增大圆角时，用卸荷槽降低应力集中。

键槽是常见的应力集中源。用圆头键槽代替平头键槽，应力集中系数从3降到2。花键连接比平键连接应力分布更均匀。过盈配合的轴毂连接，在配合边缘会有很高的应力集中，可以通过在轴上加卸荷槽来缓解。

螺纹的应力集中在第一扣牙根。用圆角牙根（滚压螺纹）比切削螺纹疲劳强度高。细牙螺纹应力分布更均匀。

提高表面质量

降低表面粗糙度，车削表面Ra3.2的疲劳强度比抛光Ra0.4低约30%。重要零件尽量磨削或抛光。避免加工刀痕，磨削方向应与受力方向一致，横向磨削痕比纵向更危险。消除表面划伤和磕碰，微小伤痕都可能成为裂纹源。

引入残余压应力

表面残余压应力可以抵消一部分拉应力，显著提高疲劳强度。

喷丸：高速弹丸轰击表面，产生残余压应力层（0.1-0.5mm深），疲劳强度可提高20%-50%。

滚压：用滚轮碾压表面，产生残余压应力，效果比喷丸更好，适用于轴类零件。

合理选择材料

高强钢的疲劳强度随抗拉强度提高而提高，但提高幅度逐渐减小，且对缺口更敏感，应力集中的危害更大。对于有缺口的零件，中等强度的钢可能比高强钢更安全。

控制工作应力

降低名义应力是最直接的手段。增大截面尺寸，使用更合理的截面形状（空心轴比实心轴效率高）。疲劳极限与应力大小直接相关，应力降下来，寿命就上去。