在金属材料的工程应用中，疲劳、损伤容限和耐久性是影响结构安全性和使用寿命的关键因素。疲劳是指材料在交变载荷作用下发生的破坏过程，包括裂纹萌生、扩展和最终断裂，决定了结构的疲劳寿命。损伤容限则强调材料在存在初始缺陷的情况下仍能维持承载能力，并通过无损检测和检查周期管理裂纹扩展，确保结构的安全寿命。耐久性关注经济寿命，强调结构在长期服役期间抵抗疲劳开裂、腐蚀、热退化等损伤，以降低维护成本并提升出勤率。本文系统梳理了三者的概念、关键机制及其相互关系，并探讨了它们在航空结构及其他关键工程领域中的应用。通过合理的疲劳设计、损伤容限管理和耐久性优化，可有效提升结构的安全性和使用寿命，为工程设计和维护提供理论支持。

1. 疲劳（Fatigue）

疲劳是指结构材料在交变载荷作用下发生的破坏（失效或断裂）。疲劳过程通常包括裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂，整个过程决定了材料或结构的疲劳寿命。

疲劳寿命（Fatigue Life）：指结构在交变载荷作用下，直到最终断裂破坏所经历的总时间。

裂纹萌生占比：对于常见航空结构采用的金属材料，裂纹萌生寿命大约占整个疲劳寿命的60-80%。

安全寿命设计：在安全寿命设计思想中，寿命定义为疲劳寿命。这种设计方法偏保守，目的是在无裂纹状态下保证结构在预定寿命内安全服役。

2. 损伤容限（Damage Tolerance）

损伤容限指在规定的不修理使用期内，机体结构仍能抵抗缺陷、裂纹或其他损伤引起的破坏的能力。

设计目标：损伤容限设计的目标是安全寿命，即确保机体结构在使用过程中具有足够的安全性，即使存在裂纹或损伤。

初始损伤假设：在金属结构中，损伤容限设计通常假设存在可检门槛值的初始裂纹，并研究该裂纹如何扩展至影响结构安全的临界裂纹尺寸。

无损检测与检查周期：

裂纹随着使用不断扩展，剩余强度逐渐降低，直至进入检查周期。

通过定期无损检测，可以确认裂纹尺寸是否超过可检门槛值。

如果检测未发现超出可检尺寸的裂纹，则认为结构的剩余强度恢复至初始状态。

3. 耐久性（Durability）

耐久性是结构的一种基本品质，指的是结构在规定使用期内，抵抗疲劳开裂、腐蚀、热退化、剥离、磨损和外来物损伤的能力。

设计目标：耐久性设计关注的是经济寿命，而非安全寿命，即确保结构在整个服役期内能够正常使用，并尽可能降低维护和运营成本。

耐久性设计特点：

结构始终处于良好的可用状态，无需额外维护或特殊操作。

预防过大的裂纹扩展和功能性损伤，避免维护成本增加和出勤率下降。

当量初始缺陷（EIFS）：

耐久性理论假设结构存在初始缺陷，但这些缺陷较小，一般处于小裂纹扩展范围。

采用小裂纹扩展公式，推导出数学概念上的当量初始缺陷（EIFS），该值用于评估裂纹扩展行为，但不代表实际存在的缺陷。

4. 三者的关系

疲劳、损伤容限、耐久性之间的对比关系见下表。

5. 结论

疲劳是材料失效的基本机制，决定了结构的疲劳寿命。

损伤容限方法允许结构在一定损伤情况下仍然安全运行，依赖无损检测和检查周期管理。

耐久性关注经济性和长期可靠性，强调优化维护策略，降低使用成本。