钢材疲劳破坏：交变荷载下的破坏现象与疲劳极限探究

在交变载荷（周期性改变方向和大小的力）的重复作用下，当应力远小于其抗拉强度时，钢材常常会断裂。这种现象称为钢材的疲劳破坏。实验表明，钢材承受的交变应力σ越大，其断裂前所经历的交变应力循环次数N就越少，反之亦然。当交变应力降低到一定值时，钢材能承受无限次的交变应力循环而不发生疲劳破坏。通常取交变应力循环次数设定为固定值（例如N=107）时不引起试件损坏的最大应力值σN作为其疲劳极限。进行疲劳试验时，所用的最小应力与最大应力之比ρ称为疲劳特性值。对于预应力钢筋，通常为0.7～0.85。对于非预应力钢筋，通常为0.1～0.8。钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的。首先，局部开始形成小裂纹，然后由于微裂纹尖端的应力集中。让它逐渐膨胀，直至突然发生瞬时疲劳断裂。从断口可以清晰地区分疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。

一般来说，抗拉强度高的钢具有较高的疲劳极限。钢材的内部组织、成分偏析等缺陷是决定其疲劳性能的主要因素。同时，由于疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的，钢材的截面变化、表面质量、内应力大小等可能引起应力集中的因素都与其疲劳极限有关。例如，钢筋焊接接头的卷曲和表面微小的腐蚀缺陷可以显着降低疲劳极限。当疲劳工况和腐蚀环境同时出现时，会出现局部应力集中，大大增加疲劳损坏的风险。

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