钢材的疲劳-常幅疲劳
钢材的疲劳
材料的S/N曲线有三种方法可以得到： a) 手册、规范或文献 疲劳试验 b) 疲劳试验 lg c) 经验公式 由材料的S/N曲线到构件的S/N曲线，还需根据应力集中效应、尺寸效应、表面效应进行折减n 验算—由应力幅的分类进行区别
Δσ—已折减后的应力循环中的最大拉应力
和最小拉应力或压应力的差值（拉取正，压 取负）
6
2、影响因素
疲劳寿命（N）
疲劳失效时所经受的应力或应变的循环次数，疲劳计算时通常不考虑疲劳荷载的
施加时间，而仅以循环次数为计算依据。
一些疲劳基本概念:
最大应力σmax
最小应力σmin 应力范围Δ σ=σmax- σmin
应力幅σa=( σmax- σmin)/2= Δ σ/2
平均应力σm=( σmax+ σmin)/2 应力比R=σmin/σmax 循环特征
如：有些钢结构加固后，会对已出现疲劳裂纹有抑制扩展的作用，使之出现还会经历比较长的荷载循环次 数，因此《钢结构设计规范》GB50017—2003中的S—N曲线会远远低估这种钢结构的疲劳寿命。
《钢结构设计规范》GB50017—2003中的8类曲线是根据完好的结构试件的疲劳试 验结果得到的，对于存在疲劳损伤的钢结构不适用。但对于既有的钢结构，都存在 一定程度的损伤，因此曲线不宜被采用。 凡是改变已有的应力环境或措施，结构构造将无法使用《钢结构设计规范》 GB50017—2003中的数据和结果，对于现在多变的环境下的构造疲劳问题的研究 造成局限和困难。
2、影响因素
一般来说，应 力(应变)幅是影 响疲劳寿命的决 定因素
由于变动载荷和应变是导致疲劳
破坏的外动力，所以应该先进行 了解。变动载荷是指载荷大小，
甚至方向随时间变化的载荷。变
疲劳破坏
直接承受动力荷载循环作用的钢构件及其连接， 容易发生疲劳破坏。例如，像吊车梁，吊车桁架及 其制动结构等结构，在设计时应考虑验算其疲劳强 度。
通常，钢结构的疲劳破坏属高周低应变疲劳， 即总应变幅小，破坏前荷载循环次数多。疲劳破坏 可分为常幅疲劳和变幅疲劳。
所有应力循环内的应力幅保持为常量，这种循环荷载 作用称为常幅破坏。
对于常幅疲劳，其计算表达式如下 19401012
[Δ ] ( C )1/
n
Δσ≤[σ]
[σ]——容许应力幅 Δσ——循环荷载产生的应力幅
表1.1 参数C、β
构件及
1
2
3
4
5
6
7
8
连接类
别
C 19401012 8611012 3.261012 2.181012 1.471012 0.961012 0.6510120.411012
β
4
4
3
3
3
3
3
3
对于结构的焊接部位Δσ应按 Δσ=σmax-σmin 对非焊接部位 Δσ=σmax-0.7σmin。 由上式可见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同 钢材具有相同的抗疲劳性能。
2. 变幅疲劳计算
吊车梁所承受的吊车荷载幅值随时间变化，因此其应力幅 也随时间发生变化，此种情况属于变幅疲劳。
f ——变幅荷载的欠载效应系数
吊车类别
表1.2变幅荷载的欠载效应系数
工作制软钩吊车 中级工作制吊车
f
1.0
f
0.8
0.5
3.疲劳计算应注意问题
➢ 当n≥105时，应进行疲劳计算。
钢结构疲劳分析
钢结构疲劳问题
其他原因： 行动活荷载； 焊接缺陷：孔洞、夹渣等； 成型控制缺陷（冲孔、剪边、气割）； 几何截面的突然变形； 地震的对结构的反复摇摆，温度变化。
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钢结构疲劳问题
疲劳计算原则
安全寿命法：先估计一个荷载谱，然后通过分析和实验找出 关键构件在这一荷载普下的语气寿命，在引入安全系数以得 到安全寿命，安全寿命决定使用期限，就够后构件到安全寿 命就要报废或者更换，使用于飞机设计。
应力比：R=min/ max
应力幅：循环一周最大、最小应力差
= max- min
t
t
常幅疲劳
变幅疲劳
“常幅疲劳”是指在使用期内交变荷载下每次循环的应力变化幅 值相同；否则称“变幅疲劳”。承受吊车荷载的吊车梁属变幅疲 劳，因为起吊重量有时满载，有时欠载。
9
钢结构疲劳问题
a）静应力R=1 b）脉动循环应力R=0 c)对称循环应力R=-1
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钢结构疲劳问题
延长疲劳寿命的方法： 减小初始裂纹尺寸a1。因为在裂纹尺寸很小时，扩展速率da/dN很低； 降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。减低应力幅要求增大构件截 面，从而提高造价。采用高韧性材料和加强施工质量控制也都要提高造价。 于是要权衡轻重做出最佳的方案
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钢结构疲劳问题
高周疲劳：在疲劳破坏之前具有应力大，应变小的特点 低周疲劳：在疲劳破损之前具有应力小，应变大的特点 采用较小的循环应力，可降低疲劳强度，增大构件的寿命
I:对接焊缝 II:角接焊缝
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钢结构疲劳问题
应力幅准则
自从焊接结构用于承受疲劳荷载以来，工程界从实践逐渐认识
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钢结构疲劳问题
A的纵坐标是在N=N1时，交变循环荷载作用下的 max
钢结构疲劳分析
外因：应力集中程度 应力幅值 应力循环特征值 循环次数 环境：接触疲劳、高温疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳
4
钢结构疲劳问题
疲劳破坏机理
1）形成微裂纹 材料已有微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的 微裂纹。 疲劳破坏由裂缝发展所致。因此，无拉应力，则无疲劳破 坏；无拉应力，不验算疲劳。 裂缝反复扩张、闭合，使疲劳断口上有半椭园光滑区，其余 部分粗糙；
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钢结构疲劳问题
对焊接结构而言，构造细节主要表现在零件之间的连接方式和焊缝的 形式，在同样的应力幅作用下，结构没有焊缝的部位，疲劳破坏前的 循环次数高于对接焊缝的部位，对接焊缝部位高于角焊缝的部位（虚 线）
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钢结构疲劳问题
延长疲劳寿命的方法： 减小初始裂纹尺寸a1。因为在裂纹尺寸很小时，扩展速率da/dN很低； 降低构件所承受的应力和采用韧性较好的材料。减低应力幅要求增大构件截 面，从而提高造价。采用高韧性材料和加强施工质量控制也都要提高造价。 于是要权衡轻重做出最佳的方案
2
钢结构疲劳问题
钢材的疲劳过程 可分为裂纹的形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂 三个阶段。 疲劳强度与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压 应力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应 力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关。
3
钢结构疲劳问题
产生疲劳的原因
内因：钢材材性、结构构造。 材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣）
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钢结构疲劳问题
应力比准则
长期以来钢结构的疲劳一直按应力比准则。对一定的循环次数 ，构件的疲劳强度和以应力比为代表应力循环特征是密切相关的 ，对引进安全系数即可得到设计用的疲劳应力容许值：
max f ( R)
p
对于我国采用的是TJ17-74中的疲劳容许应力计算公式：
钢材的疲劳概念
钢材的疲劳概念钢材的疲劳是指在交变荷载作用下，经过多次应力循环后引发的破裂现象。
疲劳破坏是材料科学和工程领域的重要问题之一，对于钢材在工程设计和结构使用中的安全性具有重要意义。
钢材的疲劳概念源自于实际工程实践中的应力循环现象。
在很多机械设备、航空航天、桥梁、建筑等结构中，常常会受到交变或重复应力的作用。
虽然这些应力的幅值可能远远低于钢材的屈服应力，但当循环应力的幅值和次数达到一定数值时，钢材内部就会逐渐发展裂纹，最终出现破裂。
因此，钢材的疲劳问题对于健康、经济和安全的结构设计和使用是至关重要的。
疲劳问题主要由两个方面组成：疲劳寿命和疲劳破坏。
疲劳寿命是指材料在特定应力水平下能够承受多少应力循环而不发生破裂的能力，通常以循环载荷的次数表示。
而疲劳破坏则是指经过一定次数的应力循环后，材料内部裂纹在扩展和联结的作用下，最终导致破裂失效。
疲劳破坏的机理主要包括裂纹萌生、裂纹扩展和最终破裂三个阶段。
首先，裂纹萌生是在应力循环中产生微裂纹，这些微小裂纹往往位于表面、缺陷处或应力集中区域。
接着，在后续的应力循环中，这些微裂纹由于剪切、拉伸和扭转等作用逐渐扩展。
最终，在裂纹扩展到一定尺寸后，应力集中区域就不能继续承受应力，导致破裂失效。
钢材的疲劳问题受到多种因素的影响。
首先，应力幅值是影响疲劳寿命的重要因素。
通常情况下，应力幅值越大，材料的疲劳寿命越短。
材料的强度水平也是疲劳寿命的重要参量。
强度越高，疲劳寿命越长。
此外，材料的表面处理和加工状态、工作温度、湿度、腐蚀等环境因素也会对钢材的疲劳性能产生重要影响。
为了解决钢材的疲劳问题，研究人员和工程师们提出了多种改善疲劳寿命的方法。
其中包括选择高强度、高韧性和高硬度的材料，提高材料的表面质量，进行表面处理（如刷齿、轧纹、喷砂等）以消除应力集中问题，采用适当的应力控制或变形控制方法，改善工艺和设计等。
这些方法在不同领域和工程实践中都取得了显著的效果。
总的来说，钢材的疲劳破坏是一种重要的材料失效机制，对于工程设计和结构使用的安全性具有重要意义。
钢材的疲劳极限名词解释
钢材的疲劳极限名词解释钢材的疲劳极限是指在特定的应力作用下，由于疲劳加载引起的钢材断裂的临界应力值。
疲劳极限是一个非常重要的材料性能参数，对于钢结构的设计和使用具有决定性意义。
钢材在使用过程中可能会受到多次循环加载，大部分都是低应力水平下的。
虽然单次加载下钢材可能不会发生破裂，但在循环加载下，钢材会逐渐产生裂纹并最终断裂。
这种现象被称为疲劳破坏。
疲劳破坏是一种隐蔽的，无法预知的失效形式。
很多工程事故都是由于材料的疲劳破坏引起的。
因此，准确预测和掌握钢材的疲劳极限对于保障结构的安全性和可靠性非常重要。
研究表明，钢材的疲劳极限与其力学性能有着密切关系。
首先是钢材的强度，强度越高，疲劳极限通常也越高。
其次是钢材的韧性，高韧性的材料能够吸收更多的应力能量，从而延缓裂纹的扩展速度，提高疲劳极限。
此外，钢材的细观数量、晶格结构和化学成分等因素也会影响其疲劳极限。
为了准确评估和预测钢材的疲劳极限，广泛使用了疲劳试验方法。
常见的疲劳试验包括拉伸-压缩试验、弯曲试验和旋转弯曲试验等。
这些试验可以通过施加不同的循环加载，并在不同的应力水平下进行，以模拟实际使用条件下的应力加载。
同时，利用试验数据，可以绘制出应力循环次数与应力幅值之间的疲劳曲线。
这条曲线展示了钢材在不同应力循环次数下的疲劳性能。
通过分析这些曲线，可以确定钢材的疲劳极限，并评估其寿命。
除了试验方法，数值模拟方法也被广泛应用于钢材的疲劳研究中。
有限元分析是其中最常用的方法之一。
通过建立钢材的有限元模型，并在计算机中进行加载分析，可以预测钢材在不同应力循环次数下的疲劳行为。
这种方法具有高效、经济和可重复性等优点，成为疲劳研究的重要工具之一。
对于结构工程师来说，掌握钢材的疲劳极限非常重要，它直接关系到结构的安全性和可靠性。
因此，在设计、制造和维护钢结构时，需要充分考虑钢材的疲劳性能，并将其纳入到相应的设计规范中。
总之，钢材的疲劳极限是一个重要的材料性能参数，对于保证结构的安全性和可靠性具有决定性意义。
钢结构疲劳验算
钢结构疲劳验算简介钢结构是一种常见的建筑结构形式，具有高强度、刚性好、耐久性强等优点。
然而，在长期使用过程中，钢结构可能会受到疲劳的影响，导致结构的损伤和失效。
因此，进行钢结构的疲劳验算是非常重要的。
本文将介绍钢结构疲劳验算的基本概念、验算方法和实际应用，以帮助工程师更好地理解和应用疲劳验算技术。
1. 疲劳现象及其机理1.1 疲劳现象疲劳是指材料或结构在受到循环载荷作用下，经过一段时间后出现裂纹、变形或失效的现象。
与单次载荷下的静态失效不同，疲劳失效通常是逐渐积累的过程。
1.2 疲劳机理钢材在受到循环载荷作用下，会发生以下几个阶段：•起始阶段：由于应力集中等原因，在表面形成微小裂纹。
•扩展阶段：裂纹逐渐扩展，形成可见的裂纹。
•失效阶段：裂纹扩展至临界尺寸，导致结构失效。
2. 疲劳验算方法2.1 应力幅值法应力幅值法是最常用的疲劳验算方法之一。
它基于应力水平和应力幅值之间的关系进行验算。
具体步骤如下：1.确定结构受到的循环载荷。
2.计算结构在每个载荷循环下的应力幅值。
3.根据材料的疲劳性能曲线，确定应力幅值对应的寿命。
4.对所有循环进行累加，得到结构的预计寿命。
2.2 应变范围法应变范围法是另一种常用的疲劳验算方法。
它基于材料在循环载荷下产生的塑性变形进行验算。
具体步骤如下：1.确定结构受到的循环载荷。
2.计算结构在每个载荷循环下的应变范围。
3.根据材料的疲劳性能曲线，确定应变范围对应的寿命。
4.对所有循环进行累加，得到结构的预计寿命。
2.3 应力时间历程法应力时间历程法是一种更为精确的疲劳验算方法，它考虑了载荷的变化率和频率等因素。
具体步骤如下：1.确定结构受到的循环载荷的时间历程。
2.将时间历程分解为若干个小时间段，在每个小时间段内计算应力幅值。
3.根据材料的疲劳性能曲线，确定应力幅值对应的寿命。
4.对所有小时间段进行累加，得到结构的预计寿命。
3. 实际应用钢结构疲劳验算在工程实践中具有重要意义。
用来表示钢材疲劳破坏的指标
用来表示钢材疲劳破坏的指标疲劳破坏是一种钢材在长期使用过程中出现的一种失效形态，是由于钢材长期受到重复的应力作用，导致钢材内部发生微观裂纹，最终导致钢材断裂的现象。
疲劳破坏是一种非常危险的失效形态，因此需要对疲劳破坏进行预测和控制。
在进行疲劳破坏预测和控制时，需要用到一些指标来表示钢材的疲劳性能和疲劳寿命。
本文将介绍用来表示钢材疲劳破坏的指标。
1. 疲劳极限疲劳极限是指在一定的应力水平下，钢材发生疲劳破坏的最高应力水平。
疲劳极限是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材的疲劳强度。
疲劳极限的大小与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳极限也有所不同。
2. 疲劳寿命疲劳寿命是指钢材在一定的应力水平下，能够承受多少次应力循环才会发生疲劳破坏。
疲劳寿命是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材的疲劳强度和使用寿命。
疲劳寿命的大小与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳寿命也有所不同。
3. 疲劳强度疲劳强度是指在一定的应力循环次数下，钢材能够承受的最高应力水平。
疲劳强度是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材在长期使用过程中的安全性。
疲劳强度的大小与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳强度也有所不同。
4. 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率是指钢材内部微观裂纹的扩展速率。
疲劳裂纹扩展速率是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材在长期使用过程中的寿命。
疲劳裂纹扩展速率的大小与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳裂纹扩展速率也有所不同。
5. 疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线是指在一定的应力水平下，钢材承受应力循环次数与疲劳寿命的关系曲线。
疲劳寿命曲线是一种描述钢材疲劳性能的重要指标，通常用来评估钢材在长期使用过程中的寿命和安全性。
疲劳寿命曲线的形状和斜率与钢材的化学成分、热处理、工艺条件等因素有关，不同的钢材疲劳寿命曲线也有所不同。
钢结构疲劳
• 疲劳强度与反复荷载引起的应力种类 （拉应力、压应力、剪应力和复杂应力 等）、应力循环形式、应力循环次数、应 力集中程度和残余应力等有关。
2、产生疲劳的原因
• （1）连续反复荷载 （2）材料局部缺陷（工艺微裂纹、 焊缝夹渣
3、疲劳破坏机理
根据调查，我国钢结构规范以n=105作为承受动力 荷载重复作用的钢结构构件（如吊车梁，吊车桁架和 工作平台梁等）及其连接所具有的最小疲劳极限。因 此，当设计要求的应力循环次数n≥105时，应进行疲 劳检算。
对钢结构进行疲劳计算时 有如下规定
1）承受动力荷载重复作用的钢结构构件及 其连接，当应力变化循环次数n等于或大于 105次时，应进行疲劳计算； • 2）在应力循环中不出现拉应力的部位， 可不计算疲劳；
的应力变化幅值相同；否则称“变幅疲劳”，如上图
所示。承受吊车荷载的吊车梁属变幅疲劳，因为起吊
重量有时满载，有时欠载。
4.疲劳强度与应力循环次数（疲劳寿命）的关系
为保证疲劳寿命，在设计基准期内应力循环次数n 应大于规定的疲劳极限，如国际焊接学会（IIW）和国 际标准化组织（ISO）建议n=5×106次为疲劳极限。
反复荷载下微裂纹尖端应力集中、材料硬化，裂 纹开展，出现宏观裂纹。
裂纹尖端应力集中使裂纹开展
（3）宏观裂纹发展，断面 削弱，脆性断裂
1.应力比与应力幅
应力比：ρ=max/ min
应力幅：循环一周最大、最小应力差
= max- min
ttLeabharlann 常幅疲劳图2-9变幅疲劳
“常幅疲劳”是指在使用期内交变荷载下每次循环
• 3）计算疲劳时，应采用荷载的标准值；
钢材疲劳极限
钢材疲劳极限钢材疲劳极限是指金属材料在重复加载下失效的应力水平。
疲劳失效是一种常见的材料失效形式，而钢材是常用的结构材料，研究钢材的疲劳极限对于保证结构的安全性和可靠性具有重要意义。
钢材的疲劳失效是由于结构中的应力集中、材料内部的缺陷、外界环境等因素引起的。
在实际应用中，钢结构往往会受到不同程度的动态加载，比如交通工具的振动、机械设备的往复运动等。
这些动态加载会导致材料内部的应力集中，从而引发疲劳失效。
钢材的疲劳极限是指在特定的加载条件下，钢材能够承受的最大循环应力。
循环应力是指在周期性加载下，材料所受到的应力变化。
通常情况下，材料的循环应力包括最大应力和最小应力，并且不断重复。
当循环应力超过钢材的疲劳极限时，钢材会发生疲劳失效。
钢材的疲劳极限是通过疲劳试验来确定的。
疲劳试验是将钢材样品加以周期性加载，观察样品在循环应力作用下的失效情况。
通过不断调整加载条件，可以确定钢材在不同循环应力下的疲劳极限。
这些试验数据可以用于设计结构时的疲劳寿命评估和安全性分析。
钢材的疲劳极限与许多因素有关。
首先，材料的本身特性是影响疲劳极限的重要因素。
不同类型的钢材具有不同的疲劳强度和寿命。
其次，加载条件也是影响疲劳极限的关键因素。
加载频率、振幅、温度等都会对钢材的疲劳性能产生影响。
此外，结构的几何形状和应力分布也会影响钢材的疲劳极限。
为了提高钢材的疲劳极限，可以采取一系列的措施。
首先，合理设计结构，避免应力集中的出现。
通过增加圆角、调整结构的几何形状等方式，减少应力集中的程度，提高钢材的疲劳强度。
其次，合理选择材料。
不同类型的钢材具有不同的疲劳强度和寿命，根据实际应用需求选择适当的材料。
此外，还可以采取表面处理措施，如喷涂防腐层、镀层等，提高钢材的抗疲劳性能。
钢材的疲劳极限是评估结构安全性和可靠性的重要指标。
通过研究钢材的疲劳极限，可以为结构设计和材料选择提供科学依据，保证结构在动态加载下的安全运行。
同时，合理的结构设计和材料选择也可以提高钢材的疲劳极限，延长结构的使用寿命。
钢结构设计中的疲劳强度考虑与分析
钢结构设计中的疲劳强度考虑与分析随着现代建筑工程的发展，钢结构设计在大型建筑项目中扮演着重要的角色。
然而，在钢结构设计中，疲劳强度的考虑与分析却常常被忽略。
本文将探讨钢结构设计中的疲劳强度问题，并提供一些解决方案。
钢结构由于其高强度、轻巧和可塑性等优点而广泛应用于建筑工程中。
然而，由于其材料特性，钢结构容易受到疲劳损伤的影响。
疲劳强度是指在重复加载下材料或结构所能承受的最大应力。
如果在设计过程中未充分考虑疲劳强度，钢结构可能会因长期的重复加载而导致疲劳断裂，给工程项目带来巨大的安全隐患。
钢结构的疲劳强度问题主要包括两个方面：疲劳强度分析和疲劳寿命预测。
疲劳强度分析是通过对结构进行计算和模拟，确定其在重复荷载下的疲劳强度。
疲劳寿命预测则是根据疲劳强度分析的结果，估计结构在使用寿命内能够安全承受的荷载次数或年限。
在进行疲劳强度分析时，需要考虑材料的疲劳性能和结构的受力情况。
钢材的疲劳性能可以通过实验来确定，例如进行疲劳试验，得到应力幅-寿命曲线和疲劳极限等参数。
而结构的受力情况则需要通过有限元分析或使用计算公式等方法进行计算和模拟。
在进行疲劳强度分析时，还需要考虑荷载频率、应力集中情况和环境温度等因素的影响。
疲劳寿命预测是根据疲劳强度分析的结果来估计结构的使用寿命。
根据结构材料的疲劳性能和应力情况，可以使用各种方法来进行疲劳寿命预测，如线性累积损伤法、计数法和安全系数法等。
其中，线性累积损伤法是最常见的方法，通过考虑结构在每个荷载循环下的应力幅与疲劳极限之间的关系，计算结构的寿命。
为了提高钢结构设计中的疲劳强度，可以采取一些预防措施。
首先，需要充分考虑结构的工作环境和受力情况，避免应力集中和过载等情况。
其次，可以采用疲劳寿命优化设计，通过改变结构的几何形状和材料厚度等参数，提高结构的疲劳寿命。
此外，还可以使用疲劳增强技术，如表面处理、焊接缺陷处理和应力容限设计等，提高结构的疲劳强度。
总之，钢结构设计中的疲劳强度考虑与分析是保证工程项目安全有效的重要一环。
钢材的疲劳名词解释
钢材的疲劳名词解释
钢材疲劳是指钢材在受到交替或反复的载荷作用下，会发生疲劳损伤和断裂的现象。
疲劳是一种逐渐累积的过程，通常不会在第一次载荷中损坏材料，而是在反复加荷中逐渐积累至材料疲劳极限，最终导致材料的疲劳断裂。
疲劳极限是指材料在交替载荷下能够承受的最大应力值，一旦超过这个极限，材料就会发生疲劳损伤和疲劳断裂。
疲劳寿命是指材料在一定载荷下能够承受的交替载荷次数，经过这个次数后，材料就会出现疲劳断裂的现象。
疲劳裂纹是指在材料的表面或内部出现的微小裂纹，这些裂纹通常都是由于疲劳载荷产生的。
疲劳裂纹的存在会导致材料的强度下降，同时也会增加材料的疲劳断裂风险。
疲劳试验是一种常用的材料测试方法，通过在实验室环境下模拟疲劳载荷，来测试材料的疲劳寿命和疲劳极限。
这种试验可以帮助工程师和科学家更好地了解材料的疲劳特性，从而为材料的设计和应用提供参考和依据。
总之，了解钢材的疲劳特性对于材料的设计、制造和应用都是至关重要的。
只有通过科学的测试方法和分析手段，才能有效提高材料的使用寿命和安全性能。
- 1 -。
钢筋疲劳计算
这部分要求大家掌握：影响疲劳强度的主要因素包括，应力幅，应力循环次数，结构构造细节（构造细节决定了应力集中程度，教材按照规范把不同的构造分成了8种类型），疲劳强度的计算。
疲劳破坏属于脆断。
GB50017-2003规定，小结如下：1、直接承受动力荷载重复作用的钢结构及其连接，当应力变化的循环次数n 等于或大于5万次时（美国规范是2万次），应进行疲劳计算；2、应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳；3、计算疲劳时，应采用荷载的标准值；4、对于直接承受动力荷载的结构，计算疲劳时，动力荷载标准值不乘动力系数；5、疲劳计算应采用容许应力幅法，应力按弹性状态计算。
区分为常幅疲劳和变幅疲劳。
常幅疲劳计算如下：Δσ≤[Δσ]Δσ——对焊接部位为应力幅，Δσ=σmax -σmin对非焊接部位为折算应力幅，Δσ=σmax -0.7σminβσ/1][⎪⎭⎫ ⎝⎛=∆n C ，n ——应力循环次数；C 、β参数，查表确定。
6、规定不适用于特殊条件（如构件表面温度大于150℃，处于海水腐蚀环境，焊后经热处理消除残余应力以及低周-高应变疲劳条件等）下的结构构件及其连接的疲劳计算。
规范存在的问题：（1）不出现拉应力的部位可不计算疲劳。
但对出现拉应力的部位，例如 σmax =140MPa 、σmin =-10MPa 和σmax =10MPa 、σmin =-140MPa 两种应力循环，Δσ都是150，按规范计算疲劳强度相同，显然不合理。
（2）螺栓受拉时，螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。
【计算例题】某承受轴心拉力的钢板，截面为400mm ×20mm ，Q345钢，因长度不够而用横向对接焊缝如图所示。
焊缝质量为一级，焊缝表面加工磨平，。
钢板承受重复荷载，预期循环次数610=n 次，荷载标准值0,1365min max ==N kN N ，荷载设计值kN N 1880=。
钢材疲劳强度的影响因素
钢材疲劳强度的影响因素1. 引言钢材作为一种常见的结构材料，广泛应用于建筑、桥梁、汽车、航空等领域。
在使用过程中，钢材往往需要承受循环加载的作用，这会导致钢材的疲劳破坏。
疲劳破坏是由于材料在循环加载下产生的微小裂纹逐渐扩展，最终导致失效。
钢材的疲劳强度是指在循环加载下，材料能够承受的最大应力水平。
了解钢材疲劳强度的影响因素，对于设计和使用钢材结构具有重要的意义。
本文将综合论述影响钢材疲劳强度的主要因素，包括材料的组织结构、表面状态、加载条件和环境介质等。
通过深入研究这些影响因素，可以为改进钢材的疲劳强度提供理论依据和工程指导。
2. 影响因素2.1 材料的组织结构钢材的组织结构是影响其疲劳强度的重要因素之一。
一般来说，细晶粒的钢材具有较高的疲劳强度，而粗晶粒的钢材则具有较低的疲劳强度。
细晶粒的钢材由于晶界较多，能够阻碍裂纹的扩展，从而提高了疲劳强度。
此外，钢材的非金属夹杂物和缺陷也会对疲劳强度产生影响。
夹杂物和缺陷会导致应力集中，从而加速裂纹的扩展，降低了钢材的疲劳强度。
因此，在生产和加工过程中，需要通过适当的热处理和控制工艺参数，减少夹杂物和缺陷的形成。
2.2 表面状态钢材的表面状态对疲劳强度也有重要影响。
不良的表面加工和缺乏保护层会导致表面裂纹和腐蚀，从而降低钢材的疲劳强度。
因此，在使用钢材之前，需要采取适当的表面处理措施，例如喷涂防腐漆、镀锌等，以提高钢材的表面质量。
此外，表面的残余应力也会对疲劳强度产生影响。
残余应力可以通过冷加工、热处理等工艺产生，如果残余应力较大且处于表面附近，会导致应力集中和裂纹的扩展。
因此，对于需要承受循环加载的钢材结构，需要进行合适的残余应力处理，以减小其对疲劳强度的影响。
2.3 加载条件钢材的加载条件是影响其疲劳强度的重要因素之一。
加载条件包括加载幅值、加载频率和加载形式。
加载幅值是指循环加载中应力的最大值和最小值之间的差值。
一般来说，加载幅值越大，钢材的疲劳强度越低。
浅谈钢结构的疲劳计算
35科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald 建 筑 科 学钢结构的疲劳是微观裂纹在连续重复载荷作用下不断扩展直至最后达到临界尺寸时出现的突发性断裂破坏,破坏时塑性变形很小,因此,疲劳破坏属于没有明显变形的脆性破坏,有着较大的危险性。
钢结构的疲劳按照其断裂前的应变大小和应力循环次数可分为高周疲劳和低周疲劳。
车辆的断裂、压力容器破裂(压力的波动)、弹簧、传动轴等多属于高周疲劳。
其特征是应变小,应变循环次数多。
承受剧烈反复的载荷作用的杆件,例如:压力容器、燃气轮机零件等,也能使其产生疲劳,其应变大,循环次数少,故属于低周疲劳。
钢结构只考虑应变循环次数n ≥5×104次的高周疲劳,计算范围仅限于直接承受动力载荷重复作用的构件(如:吊车梁、吊车桁架、工作平台梁等)及其连接。
另外,由于高温和腐蚀环境的疲劳破坏机理及表达式与常温、无严重腐蚀的情况不一样,故在此要求结构环境应为常温,且无严重腐蚀作用。
在以往较长的时期,对钢结构的疲劳计算一直采用最大应力σm ax 或应变比σm i n /σm a x 准则,近年来,随着工程实践和实验技术的提高,逐渐认识到对焊接结构疲劳强度计算,应考虑残余应力的影响,其计算应采用应力幅准则。
即影响焊接结构疲劳强度的因素除应力集中和应力循环次数外,再就是应力幅Δσ=σm a x -σm i n ,而ρ和σm a x 对其并无明显影响。
1 疲劳计算《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)规定n ≥5×104为疲劳寿命底限,因此,对承受动力载荷重复作用的钢结构构件(如:吊车梁)及其连接,当应力变化的循环次数n ≥5×104次时,应进行高周疲劳计算。
由于现阶段对不同类型构件和连接的疲劳裂缝的形成、扩展以至于断裂这一全过程的极限状态研究不足,掌握的疲劳强度数据只是结构抗力表达式中的材料强度部分,故《规范》规定疲劳计算应采用容许应力幅法。
钢材的疲劳破坏
钢材的疲劳破坏钢材的疲劳破坏是指在循环荷载作用下，钢材即使应力低于极限强度和屈服强度，仍会发生断裂破坏。
这种破坏形式被称为疲劳破坏，其破坏过程包括裂纹的形成、裂纹的扩展以及最终的迅速断裂。
疲劳破坏的特点是应力小于钢材的屈服强度，属于脆性破坏；其断口特征是放射和年轮状花纹，与一般脆性破坏的断口不同；并且疲劳对缺陷十分敏感。
钢材的疲劳分为高周疲劳和低周疲劳两类。
高周疲劳的断裂寿命较长，断裂前的应力循环次数n≥5×10，断裂应力水平较低；而低周疲劳的断裂寿命较短，破坏前的循环次数n＝102～5×104，断裂应力水平较高，伴有塑性应变发生。
常幅疲劳是指重复荷载的数值不随时间变化，所有应力循环内的应力幅保持常量。
循环应力的特征包括应力谱、应力比、应力幅和循环次数N。
破坏时循环次数越少，说明应力幅越大；破坏时循环次数越多，说明应力幅越小。
规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接按疲劳性能的高低归并划分为8个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。
在疲劳计算中，除了个别类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。
容许应力幅的计算公式为Δσ = C(n)^(-β)，其中参数C和β的取值由规范规定。
本文介绍了疲劳计算的方法和应用。
采用容许应力幅法进行计算，只适用于无高温和无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算。
当设计应力幅小于等于容许应力幅时，不会发生疲劳破坏。
对于焊接部位的设计应力幅，取最大拉应力和最小拉应力或压应力之差。
对于非焊接部位的折算应力幅，取最大拉应力和最小拉应力或压应力之差的0.7倍。
每次应力循环中，取最大拉应力和最小拉应力或压应力的绝对值。
常幅疲劳的容许应力幅可以查表得到。
文章还以一个例题介绍了疲劳强度验算的方法，强调了对焊缝表面进行加工磨平可以提高疲劳强度。
最后，文章提到了测量应力变幅规律的方法和等效常幅疲劳应力幅的概念。
钢材疲劳极限
钢材疲劳极限钢材疲劳极限是指在应力循环加载下，钢材所能承受的最大循环应力次数。
疲劳是一种在应力加载下发生的逐渐累积的损伤过程，它会导致钢材的断裂。
了解钢材的疲劳极限对于设计和使用钢结构件至关重要。
钢材的疲劳极限受到多种因素的影响，包括材料的化学成分、热处理状态、表面质量、应力幅值等。
其中，应力幅值是最重要的参数之一，它表示了应力的变化范围。
通常情况下，应力幅值越大，钢材的疲劳寿命越短。
因此，在设计和使用钢结构件时，需要合理控制应力幅值，以延长钢材的使用寿命。
钢材的疲劳极限可以通过试验来确定。
试验时，通常采用循环加载的方式，将钢材暴露在应力循环加载下，记录加载次数和断裂次数。
通过统计分析，可以得到钢材在不同应力幅值下的疲劳寿命曲线。
根据疲劳寿命曲线，可以确定钢材的疲劳极限。
钢材疲劳极限的确定对于工程实践具有重要意义。
在设计钢结构件时，需要根据预期的使用寿命和加载条件，选择合适的钢材和合理的设计方法。
通过控制应力幅值、增加结构的强度和刚度等措施，可以提高钢结构件的疲劳寿命，延长使用寿命。
在使用钢结构件时，也需要注意疲劳损伤的监测和维护。
定期检查钢结构件的表面质量和应力状态，发现疲劳裂纹等问题及时修复，可以有效避免疲劳断裂的发生。
此外，在使用过程中，还应注意控制加载条件，避免超过钢材的疲劳极限，以保证结构的安全性和可靠性。
钢材的疲劳极限是评估钢结构件使用寿命和安全性的重要参数。
通过合理的设计和使用措施，可以延长钢材的疲劳寿命，提高结构的可靠性。
在工程实践中，需要充分考虑钢材的疲劳特性，以确保结构的长期稳定运行。
钢材疲劳极限
钢材疲劳极限钢材疲劳极限是指钢材在长期受到交变载荷作用下所能承受的最大应力水平。
疲劳极限的研究对于钢材结构的设计和使用具有重要意义。
本文将从疲劳极限的定义、影响因素以及疲劳寿命的计算方法等方面进行探讨。
1. 疲劳极限的定义钢材在长期受到交变载荷作用下会逐渐发生疲劳破坏，疲劳极限即为钢材所能承受的最大应力水平。
超过疲劳极限的应力作用下，钢材会出现微裂纹，随着裂纹的扩展，最终导致疲劳破坏。
因此，了解钢材的疲劳极限对于避免结构的意外破坏具有重要意义。
2. 影响因素疲劳极限的大小受到多种因素的影响。
首先是钢材的化学成分和力学性能。
不同牌号的钢材具有不同的疲劳极限，一般来说，强度较高的钢材具有较低的疲劳极限。
其次是表面质量和表面处理。
表面质量不良或者表面存在缺陷会降低钢材的疲劳极限。
此外，应力集中也是影响疲劳极限的重要因素。
钢材在受到应力集中的部位容易发生疲劳破坏，因此在设计和使用中应尽量避免应力集中的情况。
3. 疲劳寿命的计算方法疲劳寿命是指钢材在特定应力水平下可以承受的循环载荷次数。
疲劳寿命的计算可以使用S-N曲线方法。
S-N曲线是表示钢材在不同应力水平下所能承受的循环载荷次数的曲线。
通过实验测定不同应力水平下的疲劳寿命，可以得到S-N曲线。
在设计中，根据所需使用寿命和应力水平，可以从S-N曲线上读取出相应的疲劳强度。
4. 提高疲劳极限的方法为了提高钢材的疲劳极限，可以采取一些措施。
首先是选择合适的钢材牌号。
不同牌号的钢材具有不同的力学性能和疲劳极限，应根据具体使用情况选择合适的钢材。
其次是进行适当的热处理。
热处理可以改善钢材的组织结构和性能，增加其疲劳极限。
此外，合理设计结构形式和减小应力集中的措施也可以有效提高钢材的疲劳极限。
钢材的疲劳极限是指在长期受到交变载荷作用下所能承受的最大应力水平。
影响疲劳极限的因素有钢材的化学成分、力学性能、表面质量和应力集中等。
疲劳寿命的计算可以使用S-N曲线方法，通过实验测定不同应力水平下的疲劳寿命来得到曲线。
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1 β ＝3
n（对数尺）
疲劳容许应力幅[Ds]与应力循环次数n的关系曲线
钢材的疲劳——常幅疲劳
四、常幅疲劳验算 参数Ｃ和的取值
构件和连接类别
Ｃ β
1
1940×1012
2
861×1012
3
3.26×1012
4
2.18×1012
5
1.47×1012
6
0.96×1012
有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。
（3）疲劳对缺陷十分敏感。
钢材的疲劳——常幅疲劳
二、引起疲劳破坏交变荷载的两种类型 常幅交变荷载----常幅应力----常幅疲劳 变幅交变荷载----变幅应力----变幅疲劳 应力比（）
循环应力中绝对值最小的峰值应力smin与绝对值最大的峰值应力smax之比。= smin
钢材的疲劳——常幅疲劳
钢材的疲劳——常幅疲劳
一、疲劳破坏的特征 定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但 仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。
破坏过程：裂纹的形成----裂纹的扩展----最后的迅速断裂而破坏
破坏特点： （1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破 坏。 （2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈
三、常幅疲劳 2. 焊接结构的疲劳
f
y
y
f
y
最大：
最小：
s m a x
f
f
y
f
y
Ds
f s
y
m a x
s
m i n
真实应力比：
f y Ds fy
f
f
y
y
f
y
残余应力的分布
焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅Ds的大小
钢材的疲劳——常幅疲劳
三、常幅疲劳 3.应力幅Δσ与应力循环次数n（疲劳寿命）的关系 （1）应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。
钢材的疲劳——常幅疲劳
三、常幅疲劳 1.非焊接结构的疲劳 大量试验研究表明，疲劳强度除于主体金属和连接类型有关外，还与循环应力比r
和循环次数n有关。
当以n=2×106为疲劳寿命时，我国《钢结构设计规范》给出了验算以拉应力为主 的疲劳计算公式
sm a x s p
s s 1 - k
7
0.65×1012
8
0.41×1012
4
4
3
3
3
3
3
3
国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别的疲劳强度有随钢材的 强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响。
钢材的疲劳——常幅疲劳
四、常幅疲劳验算 疲劳计算采用容许应力幅法，按弹性状态计算应力进行计算。计算只适用于无高 温（ t≤150℃）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数
/smax(拉应力取正号而压应力取负号) 应力幅（Ds） Ds=smax-smin，此处smax为最大拉应力，取正值，smin为最小拉应力或压应力。（拉应 力取正号而压应力取负号） 应力循环次数（n，疲劳寿命） 结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。
钢材的疲劳——常幅疲劳
三、常幅疲劳 当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。
（4）容许应力幅的表达式[Δσ]可通过两个相似三角形求出：
C [Ds ] N
到。
1
(2.5.4)
（5）式中：系数β、C根据《钢结构设计规范-疲劳计算的构件和连接分类》 查表得
（6）容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。
钢材的疲劳——常幅疲劳
四、常幅疲劳验算 规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为 8 个疲劳计算类别，并对每个类别规定了相应的参数取值。
（2）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍 lgn 的标准差（ 2s ）作为疲劳强度的下限值，图 中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应 于某疲劳寿命的容许应力幅。
lg Ds
0
lg n
lg C
lg n
钢材的疲劳——常幅疲劳
三、常幅疲劳 3.容许应力幅[Δσ]的定义 （3）如果lgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为97.7％。
（2）当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。
Ds
fy
Ds 1 Ds 2
Ds
b
0
n1
1
2
n2
3
4
5
6
NX105
钢材的疲劳——常幅疲劳
三、常幅疲劳 3.容许应力幅[Δσ]的定义 （1）应力幅－循环次数（红色实线所示）关系
lgDs
.
1 . .. . . .. . S S . ..
b1
曲线为试验回归曲线，反应了平均值之间的关系。
n≥5×104)。
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p p 0
钢材的疲劳——常幅疲劳
三、常幅疲劳 2. 焊接结构的疲劳 通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连接的类
型、应力幅Δσ以及循环次数n，而与应力比无关。
焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点fy ，该处是产生和发展疲劳裂 纹最敏感的区域。
钢材的疲劳——常幅疲劳