疲劳过程包括疲劳裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及最后失稳扩展三个阶段，其疲劳寿命Nf由疲劳裂纹萌生期N0和裂纹亚稳扩展期Np所组成。
了解疲劳各阶段的物理过程，对认识疲劳本质、分析疲劳原因，采取强韧化措施，延长疲劳寿命都是很有意义的。
1、疲劳裂纹萌生过程及机理
宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形成、长大及连接而成的，常将0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核，并由此确定疲劳裂纹萌生期。
疲劳微观裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带开裂，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂等。
用电解抛光方法很难将已产生的表面循环滑移带去除，即使能去除，当对试样重新循环加载时，则循环滑移带又在原处出现，这种永留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带。
随着加载循环周次的增加，循环滑移带不断加宽，当加宽到一定程度时，由于位错的塞积和交割作用，便在驻留滑移带形成微裂纹。
驻留滑移带在加宽过程中，还会出现挤出脊和侵入沟，于是产生应力集中和空洞，经过一定循环后也会产生微裂纹。
只要提高材料的滑移抗力，如采用固溶强化、细晶强化等手段，均可以阻止疲劳裂纹的萌生，提高疲劳强度。
（一）相界面开裂产生裂纹
在疲劳失效分析中，常常发现很多疲劳源都是由材料中的第二相或夹杂物引起的，因此提出了第二相、夹杂物本身开裂的疲劳裂纹萌生机理。
只要能降低第二相或夹杂物的脆性，提高相界面强度，控制第二相或夹杂物的数量、形态、大小和分布，使之“少、圆、小、匀”，均可抵制或延缓裂纹在第二相或夹杂物附近萌生，提高疲劳强度。
（二）晶界开裂产生裂纹
多晶材料由于晶界的存在和相邻晶粒的不同取向性，位错在某一晶粒内部运动时会受到晶界的阻碍作用，在晶界处发生位错塞积和应力集中现象，在应力不断循环，晶界处的应力集中得不到松弛时，则应力峰越来越高，当超过晶界强度时就会在晶界上产生裂纹。
凡是使晶界弱化和晶粒粗化的因素，如晶界有低熔点夹杂物等有害元素和成分偏析、晶界析氢及晶粒粗化等，均易产生晶界裂纹，降低疲劳强度。
2、疲劳裂纹扩展过程及机理
根据裂纹扩展方向，裂纹扩展可分为两个阶段：
第一阶段：从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹，然后裂纹主要沿主滑移系方向，以纯剪切方式向内扩展。
此阶段，裂纹扩展速率很低，每个应力循环约有0.1微米数量级的扩展率，
许多铁合金、铝合金中可观察到此阶段裂纹扩展，但缺口试样中可能观察不到。
第一阶段裂纹扩展时，由于晶界的不断阻碍作用，裂纹扩展逐渐转向垂直拉应力方向，进入第二阶段扩展。
在室温和无腐蚀的条件下疲劳裂纹扩展为穿晶状态，此阶段的大部分循环周期内，裂纹扩展速率约为10-5~10-2 mm/次，正与
曲线的II区相对应，所以第二阶段是疲劳裂纹亚稳扩展的主要部分。
SEM分析表明：第二阶段的断口特征是具有略呈弯曲并相互平行的沟槽花样，称为疲劳条带（条纹）。它是裂纹扩展时留下的微观痕迹，每条带可以视为应力循环的扩展痕迹，裂纹的扩展方向与条带垂直。
一般来讲，材料强度越低，裂纹扩展越快，疲劳条带越宽。
3、表面状态的影响
（一）应力集中
机件表面的缺口应力集中，往往是引起疲劳破坏的主要原因。
（二）表面粗糙度
表面的微观几何形状，如刀痕、擦伤和磨裂等，都能像微小而锋利的缺口一样，引起应力集中，降低疲劳极限。
表面粗糙度越低，材料的疲劳极限越高；
表面粗糙度越高，材料的疲劳极限越低；
材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。
表面脱碳、氧化等缺陷也会降低疲劳强度。
4、残余应力及表面强化的影响
残余应力可以与外加工作应力叠加，构成合成总应力：
叠加残余压应力，总应力减小，叠加残余拉应力，总应力增大。
因此，机件表面残余应力状态对疲劳强度（主要低应力高周疲劳强度）有显著影响。
残余压应力提高疲劳强度；
残余拉应力降低疲劳强度。
表面强化处理可在机件表面产生有利的残余压应力，同时还能提高机件表面的强度和硬度，从而提高疲劳强度。
5、表面强化方法包括
(一) 表面喷丸及滚压
喷丸是用压缩空气将坚硬的弹丸高速喷打向机件表面，使机件表面产生局部形变强化，同时因塑变层周围的弹性约束，又在塑变层内产生残余压应力。
喷丸强化的效果与被喷的材料强度有关，材料强度越高，喷丸效果越好，所以一般机件的喷丸总是在热处理强化后进行。
表面滚压和喷丸的作用相似，但是其压应力层深度较大，很适用于大工件，而且表面粗糙度低时，强化效果更好。
(二) 表面热处理及化学热处理
表面淬火包括火焰加热淬火、感应加热淬火和低淬透性钢的整体加热薄壳淬火等。
表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。它们都是利用组织相变获得表面强化的工艺方法，也是常用的表面强化方法。
在有效提高疲劳强度和疲劳寿命的同时，可提高表面耐磨性和耐蚀性。
表面淬火后要减少磨削。
6、材料成分及组织的影响
（一）合金成分
在各种结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高，这类钢中碳是影响疲劳强度的重要元素。碳既可间隙固溶形成基体，又可形成弥散碳化物进行弥散强化，提高材料的形变抗力，阻止循环滑移带的形成和开裂，从而阻止疲劳裂纹的萌生和提高疲劳强度。
合金元素：1、提高钢的淬透性；2、改善钢的强韧性。
（二）显微组织
细化晶粒可以提高材料的疲劳强度。
结构钢的热处理组织也影响疲劳强度。正火组织因碳化物为片状，其疲劳强度最低，淬火回火组织因碳化物为粒状，其疲劳强度比正火的高。
（三）非金属夹杂物及冶金缺陷
非金属夹杂物是钢在冶炼时形成的，它对疲劳强度有明显的影响，减少夹杂物的数量及尺寸都能有效提高疲劳强度；
气孔、缩孔、偏析、折叠等冶金缺陷，会降低机件的疲劳强度。
