生活经验告诉我们，要想徒手拉断铁丝是非常困难的，但如果反复折几下却很容易折断。这表明，即使反复变化的外力远小于能将金属直接拉断的恒力，也会使它的机械性能逐渐变弱并最终损毁。金属的这种现象和人在长期工作下的疲劳非常像，科学家们便形象地称其为“金属疲劳”。

      不少小伙伴都会疑惑：人累了会疲劳，怎么坚硬的金属也会疲劳呢？正所谓“黄金无足色，白璧有微瑕”，我们目前所用的金属并非是完美的，在加工或使用的过程中，金属总会存在一些缺陷，比如内部有杂质或孔洞、表面有划痕。这些缺陷往往只有微米量级，很难通过肉眼观察，如果给金属施加一个不变的拉力，它们并不容易产生裂缝。可如果外力是反复变化的，一会儿是拉力一会儿是压力，一部分能量就会转换成热，积累在金属内部，一旦超过某个限度，金属就很容易在缺陷处发生原子间的化学键断裂，导致结构开裂。

显微镜观测到的金属缺陷及起始于该缺陷的金属疲劳开裂过程

      疲劳是指在低于材料极限强度 (ultimate strength) 的应力 (stress) 长期反复作用下，导致结构终于破坏的一种现象。由于总是发生在结构应力远低于设计容许最大应力的情况下，因此，常能躲过一般人的注意而不被发觉，这也是疲劳最危险的地方。

      材料在承受反复应力的作用过程中，每一次的应力作用称为一个应力周期 (cycle)，此周期内的材料受力状态，由原本的无应力先到达最大正应力（拉伸应力），然后到达最大负应力（压缩应力），最后回到无应力状态。在此受力过程中，每一个应力周期所经历的时间长短（即频率）与疲劳关系甚微，应力周期的振幅及累积次数才是决定疲劳破坏发生的时机。另外，压缩应力不会造成疲劳破坏，拉伸应力才是疲劳破坏的主因。

     疲劳破坏大致分为低周期疲劳 (low cycle fatigue) 和高周期疲劳 (high cycle fatigue)。一般而言，发生疲劳破坏时的应力周期次数少于十万次者，称为低周期疲劳；高于此次数者，称为高周期疲劳。低周期疲劳的作用应力较大，经常伴随着结构的永久塑性变形 (plastic deformation)；高周期疲劳的作用应力较小，结构变形通常维持在弹性 (elastic) 范围内，所以不致有永久变形。

    材料疲劳破坏的进程分为：裂纹初始 (crack initiation)、裂纹成长 (crack growth)、强制破坏 (rupture)。材料表面瑕疵或是几何形状不连续处，材料晶格 (lattice) 在外力作用下沿结晶面 (crystallography plane) 相互滑移 (slip)，形成不可逆的差排 (dislocation) 移动，在张力及压力交替作用下，于材料表面形成外凸 (extrusion) 及内凹 (intrusion)，造成初始裂纹。这些初始裂纹在多次应力周期的拉伸应力连续拉扯下逐渐成长，使材料承载面积缩减，降低材料的承载能力。当裂纹成长到临界长度 (critical length) 时，材料净承载面积下的应力超过材料的极限强度，此时的材料强制破坏也就无法避免了。

      影响疲劳强度的因素比较多，以下几类因素在航空发动机设计、制造中需要重点予以考虑。

      虽然很多人都没听过金属疲劳的事儿，但它却广泛潜伏在人们的日常生活中，常常引发出人意料的严重事故。据估计，约90%的机械事故都和金属疲劳有关。

      2002年，一架由我国台湾飞往香港的波音747客机在澎湖附近海域解体坠毁，造成包括机组成员在内共225人不幸罹难。事后调查认为，飞机上一块修补过的蒙皮发生了严重的金属疲劳开裂，造成机尾脱落，最终导致飞机因舱体失压而解体。

      2007年，美国空军的一架F-15战斗机在模拟空战时，战机机头与机身分离，飞行员弹射出舱，这次事故造成美军F-15战机大面积停飞，调查结果显示，事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳。

      除了飞行事故，轮船、列车、桥梁、汽车等，也常因金属疲劳招致灾难。二战期间，美国的5000艘货船发生了近1000次金属疲劳事故，200多艘货船彻底歇菜；1998年，德国一列高速行驶的动车因车轮轮箍的疲劳断裂而脱轨，造成100余人死亡。

     我们了解疲劳相关的内容，最终目的是要预防或者减少航空发动机等机械构件发生疲劳失效的情况，进行长寿命设计。如下这些措施常用于提高结构的疲劳强度：