金屬材料的疲勞損傷過程，一般有以下幾個階段：滑移、裂紋萌生、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展、瞬時斷裂。

金屬零件形成疲勞裂紋的方式很多，有的發(fā)生在金屬晶體表面、晶界或金屬內(nèi)部非金屬夾雜與基體交界處；有的發(fā)生在零件表面原有的缺陷處，如表面機械劃傷、焊接裂紋、腐蝕小坑、鍛造缺陷、脫碳等；有的是因零件的結(jié)構(gòu)形狀造成應(yīng)力集中而形成疲勞裂紋萌生源，如零件上的內(nèi)、外圓角、鍵槽、缺口等處。

（1）變應(yīng)力作用下金屬的滑移及微觀疲勞裂紋的產(chǎn)生表面無缺陷的試件在變應(yīng)力的作用下，金屬表面開始滑移（圖1），直到微觀疲勞裂紋產(chǎn)生。這是疲勞失效的第一階段（圖2）。裂紋沿著與拉力軸向成45°角的最大切應(yīng)力方向擴展，生長到一定的長度后，逐漸改變方向，最后沿著與拉應(yīng)力成垂直的方向生長，進入裂紋擴展的第二階段。

在多晶金屬的晶界上，也是初始疲勞裂紋易萌生的地區(qū)。金屬中的非金屬夾雜物與基體的交界處，往往是疲勞裂紋優(yōu)先產(chǎn)生的地區(qū)。

（2）疲勞裂紋的擴展及材料的斷裂第一階段的微觀裂紋擴展進入到第二階段的宏觀裂紋時，擴展速度增加。裂紋尖端部分向前擴展的過程中，所承受的應(yīng)力較大時，尖端附近部分形成塑性變形區(qū)。如果應(yīng)力較小，則以彈性變形為主。因此，在宏觀裂紋的擴展階段中，有兩種類型：裂紋在彈性區(qū)內(nèi)擴展和裂紋在塑性區(qū)內(nèi)擴展。前一種情況，裂紋長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過裂紋頂端的塑性區(qū)尺寸，即塑性區(qū)很小，如圖3所示。承受高循環(huán)次數(shù)、低應(yīng)力、低裂紋擴展率的零件，其疲勞裂紋擴展屬于這種情況。在這種條件下產(chǎn)生的破壞，稱為應(yīng)力疲勞破壞。

而后一種情況，裂紋長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塑性區(qū)的尺寸。承受低循環(huán)次數(shù)、高應(yīng)力、高裂紋擴展率的零件，屬于這種情況。在這種條件下產(chǎn)生的破壞，稱為應(yīng)變疲勞破壞。

微觀裂紋擴展和宏觀裂紋擴展兩個階段，統(tǒng)稱為裂紋的亞臨界擴展過程。工程斷裂力學(xué)主要研究這個過程中裂紋擴展的規(guī)律。

如圖4所示，裂紋在變應(yīng)力作用下擴展的模型。

在實際應(yīng)用中，有相當(dāng)一部分零件，即使出現(xiàn)宏觀可見裂紋，但由于疲勞裂紋擴展緩慢，要經(jīng)歷一段相當(dāng)長的時間后才達到臨界尺寸而發(fā)生破壞。因此，這種裂紋的亞臨界擴展特性為采用有限壽命設(shè)計提供了前提。

疲勞裂紋擴展到凈截面的應(yīng)力達到材料的拉伸強度時（對高韌性材料），或是疲勞裂紋的長度達到材料的臨界裂紋長度時，便發(fā)生最終的瞬時斷裂。在斷口上往往留下清晰的疲勞條帶，稱為前沿線，這是因為裂紋尖端在向前擴展時所造成的。典型的疲勞破壞斷面如圖5。

疲勞損傷與材料的種類、應(yīng)力的類型、應(yīng)力變化的幅度以及工作情況有關(guān)。因而，疲勞的斷裂截面也受上述因素的影響，圖6所示為在各種變應(yīng)力作用下典型的疲勞破壞斷面。

圓柱螺旋拉伸和壓縮彈簧材料在負(fù)荷作用下所受應(yīng)力為帶彎曲型的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧在負(fù)荷作用下所受應(yīng)力為帶扭轉(zhuǎn)型的彎曲應(yīng)力。板彈簧在負(fù)荷作用下所受應(yīng)力為單向彎曲應(yīng)力。

圖7為壓縮螺旋彈簧受切應(yīng)力時，疲勞失效的典型斷面圖。從斷面可以看出，疲勞破壞是由于表面裂紋（圖中箭頭所指）形成的疲勞源而造成的。