2.1 金属疲劳的基本原理
从强度的角度看，金属零部件的服役破坏可分为两种模式：一种是静载荷作用下的静强度破坏模式；另一种是动态载荷作用下的疲劳破坏模式。
静强度破坏模式是指在大于金属材料屈服强度的静应力作用下，零部件的危险截面中产生过大的应力而超出了它们的屈服强度导致永久变形或断裂。因此在静强度评估时，安全判据是它们的整体应力水平是否低于规定的许用应力，而许用应力则是由屈服强度或抗拉强度所控制。
疲劳破坏模式是指零部件在小于材料屈服强度的动应力作用下导致的开裂或断裂。对于任何承受动态载荷的金属零部件而言，不但要关心静强度破坏模式，更要关心疲劳破坏模式，通过静强度评估只是零部件可以安全服役的首要条件，而疲劳强度评估则是在静强度评估基础上的延伸与发展，只有将二者统一，才能构成完整的强度评估体系。
静强度破坏模式与时间历程无关，比较而言，关于静强度破坏模式的理论方法比较成熟，而疲劳强度破坏模式却并非这样，其理论与方法完全不同于前者。在疲劳强度破坏问题范畴内还有金属材料的疲劳破坏与由金属构成的焊接结构的疲劳破坏，而这两者又是内涵不同的两类问题。考虑到本书后面章节中在讨论关于焊接结构疲劳破坏模式的理论与方法时，需要与金属材料疲劳破坏模式的理论与方法进行对比，因此有必要首先对金属材料疲劳的基本概念给予简单的介绍。
“疲劳”一词的英文是Fatigue，有“劳累、疲倦”之意。作为工程专业术语，它被用来表达材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。1964年国际标准化组织（ISO）发表的报告《金属疲劳试验的一般原理》中，对疲劳概念给出了基本的定义：“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化称为疲劳。”在一般情况下，该术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。
历史上首先发现与定义金属零部件疲劳现象的是德国工程师A沃勒，他在1945年解释了为什么在动载荷作用下，金属零部件的实际应力水平很低，但是它的寿命却很短的奇怪现象。在这以后人们对工程上各类动态载荷作用下的各类材料的疲劳破坏问题的研究就一直没有停止过，其中关于金属材料疲劳领域的研究相对深入，原因是工程界为金属材料疲劳破坏所付出的代价最为昂贵，教训最为深刻。
在相当多的专业著作中对金属疲劳的机理有过非常系统的论述，归纳如下：
金属疲劳破坏是指在循环应力或应变作用下，高应力或高应变的局部区域的金属晶粒逐渐形成微裂纹后发展成宏观裂纹，然后宏观裂纹不断扩展，最终导致疲劳破坏。例如表面光滑的试棒在循环载荷的试验中，疲劳损伤可以先通过弹性各向异性或微观夹杂引起的位错发展，这些微观几何缺陷将产生局部应力集中或微观裂纹。由此产生的应力集中通常被称为应力集中系数Kt（缺口或其他应力集中处局部应力与名义应力的比），在高应力区的缺口尖端将触发位错运动，这会使材料产生侵入和挤压，最终将导致小的初始裂纹。一旦微观裂纹达到可测量尺寸，疲劳裂纹萌生寿命阶段将结束，而疲劳裂纹扩展寿命阶段将开始。
显然这是一个时间历程上的事件，由于在这个时间历程上裂纹从无到有的影响因素复杂、离散性大，例如导致金属疲劳的疲劳源，可以是小到几毫米甚至几微米的局部，可以是零件或构件的几何缺口的根部、表面缺陷、切削刀痕、磕碰伤痕，也可以是材料内部的微小缺陷等。这些零件或构件在足够多的扰动载荷作用后，从高应力或高应变的局部开始形成裂纹，此后，在扰动载荷继续作用下，裂纹进一步扩展，直至达到临界尺寸而完全断裂。
金属疲劳破坏可分为三个阶段，即裂纹萌生、裂纹扩展、失稳断裂[1]。从微观上看，疲劳裂纹的萌生与局部微观塑性有关；但从宏观上看，在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称为应力疲劳或高周疲劳。在循环应力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称为应变疲劳或低周疲劳。裂纹萌生后宏观裂纹将在一定时期内稳定扩展，达到一定程度后结构承载能力将极大下降，最终会导致快速断裂。
另外，对金属零部件而言，不同的外部载荷作用将导致不同的疲劳破坏形式：
1）机械疲劳：仅有外加应力或应变波动造成的疲劳失效。
2）蠕变疲劳：循环载荷同高温联合作用引起的疲劳失效。
3）热机械疲劳：循环载荷和循环温度同时作用引起的疲劳失效。
4）腐蚀疲劳：存在侵蚀性化学介质或致脆性介质的环境中，施加循环载荷引起的疲劳失效。
5）接触疲劳和滚动接触疲劳：载荷的反复作用与材料间的滑动和滚动接触相结合分别产生的疲劳失效。
6）微动疲劳：脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用产生的疲劳失效。
虽然焊接结构的基本构成元素是金属材料，例如轨道车辆装备中焊接性较好的结构钢，将这些结构钢组焊成焊接结构以后，它的抗疲劳能力将发生本质改变。例如转向架上由结构钢板组焊而成的承载构架，同样的母材、同样的外载荷，但是其抗疲劳能力则因几何形状的不同而一定不同，因为焊接结构的疲劳强度将主要由焊接接头的疲劳强度所控制，而不是由构成的母材所控制。与用于研究金属零部件疲劳强度的理论与方法相对比，用于研究焊接结构疲劳强度的理论与方法更为特殊，如果忽视这一特殊性，将用于金属疲劳破坏的理论与方法套用到焊接结构上去，那将导致方向性的错误。