通常，疲勞裂紋擴展可以分為三個(gè)階段：第I階段（裂紋萌生，shot cracks），第II階段（裂紋擴展，long cracks），第III階段（瞬時(shí)斷裂，final fracture）

圖1—疲勞裂紋擴展的階段和第二階段。

第I階段

一旦裂紋萌生以后，就會(huì )沿著(zhù)大剪切應力平面(約45º)擴展，如圖1所示。這一階段被認為是第I階段或者短裂紋萌生和擴展階段。裂紋一直擴展直到遇到障礙物，如晶界、夾雜物或珠光體區。它無(wú)法容納初始裂紋的擴展方向。因此，晶粒細化是可以提升材料疲勞強度的利用了引入大量微觀(guān)障礙物的原理。晶界，在裂紋擴展的第I階段需要克服晶粒的阻礙并越過(guò)晶界。表面機械處理，例如噴丸和表面滾壓也會(huì )引入一些微觀(guān)的障礙物，因為它們使晶界被壓扁了。

圖2-無(wú)間隙鋼和鋁合金AA2024-T42中的疲勞條紋。圖（c）顯示了鑄造鋁合金的疲勞斷裂表面，其中疲勞裂紋是由鑄造缺陷形成的，表面呈現凝固枝晶；疲勞條紋由右上方的箭頭指示。

第II階段

由于裂紋擴展，實(shí)際載荷的上升，應力強度因子K不斷增加，在裂紋附近的不同平面上開(kāi)始發(fā)生滑移，于是就進(jìn)入了第II階段。相比之下第I階段裂紋擴展方向與載荷方向成45度角，進(jìn)入第II階段，裂紋擴展方向與載荷方向垂直，成90度角，如圖1所示。第II階段一個(gè)非常重要的特征就是斷口表面出現波紋，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為疲勞輝紋(Striations)，它需要在掃描電鏡的幫助下才能看清楚。并不是所有工程材料在發(fā)生疲勞時(shí)，進(jìn)入第II階段都會(huì )產(chǎn)生疲勞輝紋。疲勞輝紋在純金屬和一些韌性較好的合金中出現，例如鑄態(tài)的鋁合金。在鋼鐵里面，常常在冷作硬化的鋼中發(fā)現這種特征。圖2給出了一種在無(wú)間隙原子的鋼中和鋁合金中的例子。在韌性金屬斷口上產(chǎn)生的疲勞輝的機理是：裂紋連續鈍化和再銳化圖3所示。

圖3-萊爾德提出的第二階段條紋形成機制：（a）無(wú)載荷；（b）拉伸載荷；（c）大拉伸載荷；（d）載荷回復和（e）壓縮載荷。

第III階段

終，當裂紋應力強度因子超過(guò)了臨界應力強度因子，那么裂紋失穩，發(fā)生快速擴展。在這一階段，裂紋的擴展由失效的靜態(tài)模式控制，對微觀(guān)組織結構、載荷比以及應力狀態(tài)（平面應力加載或平面應變加載）非常敏感。

宏觀(guān)上看，疲勞斷口可以分為兩個(gè)主要區域，如圖4所示。個(gè)區域與疲勞裂紋穩定擴展相對應并且呈現出平滑的一面，因為對偶斷裂面會(huì )發(fā)生相互摩擦。有時(shí)候，在斷口表面上能看到“海灘標記”，它是載荷變化的結果，或因為臨時(shí)停止加載，或因為過(guò)載在裂紋引入了壓縮殘余應力。

終斷裂：斷口上其它的部分就對應著(zhù)終斷裂區，呈現出纖維狀和不規則特征。在這個(gè)區域里，斷口既可以是延性的，也可以是脆性的。它取決于材料的力學(xué)性能，構件的幾何尺寸或加載條件。

每一個(gè)區域的準確比例取決于實(shí)際載荷水平。載荷越高，穩定擴展區域比例越小，如圖4所示。在另一方面，如果加載的載荷較小，那裂紋擴展較長(cháng)距離以后才能超過(guò)臨界應力強度因子，達到材料的斷裂韌度值，導致瞬時(shí)斷裂區較小，如圖4(b)所示。

圖4-疲勞斷裂面：（a）高加載荷；（b）低加載荷。

棘輪花樣：棘輪花樣是在疲勞斷口表面可以觀(guān)察到的另外一種宏觀(guān)特征。這些特征通常出現在多源開(kāi)裂的情形中，裂紋萌生于不同的位置時(shí)，當它們相互匯合時(shí)，就會(huì )在斷口上出現臺階。因此，棘輪花樣的數量是裂紋起始點(diǎn)數量的一個(gè)很好的指標。圖5給出了疲勞斷口上機輪花樣的細節信息。

圖5-因疲勞斷裂的SAE 1045軸上的棘輪標記（箭頭所示）。

擴展速率：相似于起始階段，很多因素會(huì )影響長(cháng)疲勞裂紋的擴展速率。其中，應該關(guān)注的就是載荷比和殘余應力的影響。增加載荷比從趨勢上會(huì )增加長(cháng)裂紋擴展速率，如圖6所示。通常增加載荷比對Paris體系的影響比臨近門(mén)檻值和近失效區的影響小。接近門(mén)檻值應力強度因子，比例R可歸因于裂紋閉合效應。

圖6——R比對疲勞裂紋擴展曲線(xiàn)影響的示意圖。曲線(xiàn)上還顯示了接近臨界值、巴黎狀態(tài)和終失效區域。

幾種不同的機制導致裂紋閉合，可塑性誘導閉合如圖7所示。隨著(zhù)裂紋的長(cháng)大，已在塑料區內預先變形的材料現在在裂紋的塑性區形成包絡(luò )線(xiàn)。這導致垂直于裂紋表面的位移約束被解除。當裂紋張開(kāi)的時(shí)候這并沒(méi)有問(wèn)題，然而，當載荷下降以后，在小載荷來(lái)臨之前裂紋表面接觸，遮擋了裂紋。這種過(guò)早的接觸，也還有一些其它情況，如圖7所示。

圖7-由（a）塑性，（b）粗糙度（c）氧化物引起的裂紋閉合機制。

對于大多數材料，Paris體系被認為“無(wú)閉合和不依賴(lài)于大應力強度因子”。并且裂紋擴展速率通常與不同R比率條件下的測試相似。接近終失效，當Kmax接近KIC時(shí)，R比率的影響與高的單調斷裂分量有關(guān)。

圖8：疲勞循環(huán)中，載荷比對keff的影響：（a）kmin<kcl（b）kmin>kcl