耐久性故障
交替胁迫又称疲劳胁迫，是指间作中随时发生周期性变化的胁迫。如图6-1所示，各种符号的含义如下:
图6-1交变应力参数示意图
σmax:最大应力；σmin:最小应力；σm:平均应力；σa:应力幅度。
每个参数的关系如下:
岩石断裂和损伤
σmax=σm+σa
σmin=σm-σa
定义:R=σmin/σmax为应力比(也称循环特性)。当R=-1时，称为对称圈；当R=0时，称为脉冲周期；当R=1时，为静荷载。
二、疲劳强度设计方法
传统的设计方法，最早的是无限寿命设计，要求零部件在无限的使用寿命内不会损坏。本设计是根据疲劳强度条件设计的。后来对部分构件采用了“安全寿命”的设计，即在一定使用范围内不发生疲劳裂纹。这种设计后来成为评估材料疲劳强度的传统方法，即在一定的外部交变载荷下，确定无裂纹的光滑试件的断裂循环次数，按下列公式进行设计:
岩石断裂和损伤
σ-1是材料的疲劳极限或持久极限。用小尺寸光滑试件在专用疲劳试验机上，在对称循环下测得，是指试件经过无数次应力循环(一般大于107次)后，未发生破坏的最大应力值。它与构件的尺寸、表面加工质量和应力集中程度有关。Nσ是大于1的安全系数。
传统的疲劳设计没有考虑到物体或零件在加工和使用过程中表面或内部存在的裂纹或缺陷。但当有裂纹或类似裂纹的物体受到交变应力时，即使工作应力远低于材料的疲劳极限，裂纹也可能扩展，从而使物体断裂。因此，有必要从断裂力学的观点来研究“损伤安全”的设计方法，即假设物体是一个裂纹体，在一段时间的交变应力作用下，允许其膨胀，但不达到断裂，从而不影响物体的可靠工作。对于这类设计，需要掌握材料的疲劳裂纹扩展特性，才能使设计达到预期的安全效果。
为了减轻结构的重量，越来越多的高强和超高强材料被用于设计。这类材料的断裂韧性一般随着材料屈服强度的增加而降低，从而降低了脆性破坏的临界裂纹尺寸。因此，有必要解决由这种材料制成的构件的疲劳剩余寿命的估算问题。因此，研究材料的疲劳裂纹扩展规律是材料设计和使用中研究材料力学性能的新课题，也是断裂力学在工程应用中的重要内容。由于构件在制造和使用过程中裂纹是不可避免的，用断裂力学研究裂纹扩展特性是一个重要的补充和发展。
第三，疲劳破坏的过程
疲劳总是在应力最高、强度最弱的局部位置形成。对于一般构件，内表面的切痕、台阶部、圆孔、夹杂物等应力集中处是疲劳裂纹最先发生的地方。由于材料结构和工作条件的不同，疲劳裂纹形成的方式也不同。常见的方法有夹杂物与基体的界面开裂、滑动区开裂和晶界开裂。一般来说，疲劳破坏的过程可以分为四个不同的阶段。
1.裂纹成核阶段
交变应力→滑移→金属的挤压和挤压→微裂纹核的形成(通常出现在零件表面)。
2.微裂纹扩展阶段
微裂纹沿滑移面扩展，滑移面是与正应力轴成45度的剪应力作用面。许多滑移线形成滑动区，并且沿着滑动区形成裂缝。这一阶段裂纹扩展速度较慢，一般为10-5mm/周，裂纹尺寸小于0.05 mm。
3.宏观裂纹扩展阶段
裂纹扩展方向垂直于拉应力方向，为单裂纹扩展。裂纹尺寸从0.05mm扩展到临界尺寸ac，扩展速率为10-3mm/周。
4.断裂阶段
当裂纹扩展到临界尺寸ac时，它将变得不稳定并迅速断裂。
一般来说，工程上把0.1 ~ 0.2 mm的贯通裂缝定义为宏观裂缝。深度为0.2 ~ 0.5 mm，深度为0.15mm的表面裂纹为宏观裂纹。
宏观裂纹扩展阶段对应的循环系数——裂纹扩展寿命(Np)。宏观裂纹扩展前一阶段对应的循环系数——裂纹形成寿命(Ni)。
四、高周疲劳和低周疲劳
高周疲劳和低周疲劳是工程中经常遇到的概念。
1.高周疲劳
当构件上的应力较低时，疲劳裂纹在弹性区扩展，裂纹扩展到断裂所经历的应力循环周期n较高，或裂纹的疲劳寿命较长，称为高周疲劳。高周疲劳也称为应力疲劳。n称为失效周期或疲劳寿命。
2.低周疲劳
当构件的局部应力已超过材料的屈服强度时，形成较大的塑性区，裂纹在塑性区内扩展，裂纹扩展所经历的循环周期较短，或裂纹的疲劳寿命较短，称为低周疲劳。低周疲劳也称为应变疲劳或塑性疲劳。低周疲劳总寿命约等于裂纹扩展寿命，因此低周疲劳设计主要考虑裂纹扩展寿命。工程上一般规定N≤104的疲劳为低周疲劳。
动词 （verb的缩写）部件的疲劳设计
1.全寿命法
首先，测量S-N曲线(S是交变应力，N是应力循环次数)。
经典的疲劳设计方法是用循环应力范围(S-N)曲线法或塑性总应变法来描述导致疲劳失效的总寿命。
在这些方法中，通过控制应力幅值或应变幅值，获得了具有初始裂纹的实验室样品的疲劳破坏所需的应力循环次数和应变循环次数:
N=Ni+Np(Ni形成寿命，Np延伸寿命)
2.损伤容限法(疲劳设计的断裂力学方法)
构件使用寿命内允许出现裂纹，但必须具有足够的亚临界裂纹扩展寿命，以保证裂纹在使用寿命内不会不稳定地扩展而导致构件失效。
疲劳寿命被定义为从特定裂纹尺寸延伸到临界尺寸的裂纹循环次数。