金属疲劳是一种在交变应力作用下金属材料发生破坏的现象，其主要影响因素是应力幅值、平均应力大小和循环次数^[6]。本研究主要考虑循环次数对导线疲劳的影响。

工程实践表明，机械零件在交变应力作用下，即使其工作应力低于屈服极限，在长期反复作用后，零件仍会突然断裂。即使对于塑性较好的材料，断裂前也不会发生明显的塑性变形^[7]。描述交变应力的基本量有：最大应力${{\sigma _{\max }}}$、最小应力${{\sigma _{\min }}} $。常用的导出量有：应力幅值 $ {\sigma _\alpha }{\rm{ = }}\left( {{\sigma _{\max }} - {\sigma _{\min }}} \right)/2$，平均应力${\sigma _{\rm{m}}}{\rm{ = }}\left( {{\sigma _{\max }}+{\sigma _{\min }}} \right)/2$，应力比r=$ {{\sigma _{\max }}/{\sigma _{\min }}}$。对于对称循环应力，r=–1；应力幅值反映了交变应力在一个应力循环中变化的程度，是金属构件发生疲劳破坏的根本原因^[8–9]。

实验中采用4种型号的钢芯铝绞线（JL/G1A-400/35、JL/G1A-300/25、JL/G1A-240/30、JL/G1A-300/40），如图1所示，具体参数列于表1。图2为JL/G1A-400/35导线的截面图。可见，导线共有4层结构：内层为7根钢芯，其作用是承受大部分荷载；外面3层均为铝线，由内向外分别由10、16和22根铝线组成，共48根。

截取4种型号导线各9段，每段长0.75 m；将SK2-6-12管式电阻炉加热至预设温度（150、200、250、300、350、400、450、500 ℃）后，恒温一段时间；再将试件放入炉腔，每根导线均保温30 min，以此模拟输电导线所处的真实山火环境。

待各段导线空冷至室温，把导线分层拆成单丝，采用SDS100电液伺服疲劳试验机，对未加热新线、电阻炉烘烤导线和真实山火烧烤后导线的单丝进行疲劳试验。考虑到导线节距问题，试样长度为20 cm。每层铝线中取5根，钢芯取3根进行试验。

根据文献[10]所述，疲劳实验最大应力值为屈服强度的60%，交变载荷最小应力与最大应力之比为0.1^[11]，由此计算出均值和幅值。实验中，测得JL/G1A-400/35导线单丝铝线的屈服强度为750 MPa，进而计算得到加载力的幅值为292.5 N，均值为357.5 N，加载频率为27 Hz^[10]。对于其他3种导线（JL/G1A-300/25、JL/G1A-240/30、JL/G1A-300/40），根据静态拉伸试验得出抗拉强度^[12]，在保证导线不进入塑性的条件下，选取对应的适当幅值和均值进行疲劳实验，拟合出应力-寿命（S-N）曲线解析式, 得出不同温度导线在同一应力下的循环次数。根据苏联实验经验，此时单丝铝线的加载频率为27 Hz，钢芯的加载频率为10 Hz^[10]。

把钢芯铝绞线放入恒温管式电阻炉中保持设定温度1.5 h，再将导线冷却至室温^[13–14]，对不同温度（T）烘烤后的导线、新导线和真实山火烧烤后的导线进行拉伸疲劳试验。在所加热的铝导线各层中，分别取出5根铝单线进行测试，反复上述操作，取平均值；由于钢芯数量较少，每个温度下测试3根，并多次测量取平均值。若拉伸次数达到120 000时导线仍未发生断裂，则结束实验，认为其疲劳强度满足要求。记录单丝导线的拉伸次数n，得到表2所列数据。

由表2中数据可以看出：当退火温度T小于250 ℃时，导线基本不被拉断；退火温度在250～500 ℃之间时，导线的拉伸次数n随着退火温度的升高而减小；当退火温度小于250 ℃时，拉伸次数达到120 000时导线仍未发生断裂，说明250 ℃烧烤后单丝外层铝导线的抗疲劳强度较强；当温度超过300 ℃时，导线的疲劳拉伸次数明显减少，特别是500 ℃时，拉伸次数最少，此时导线的抗疲劳性能较弱。由此可以推断，在500 ℃或更高温度烧烤后，整根导线外层铝线的抗疲劳性能较弱。

对比外、中、内3层铝线可以发现：退火温度小于250 ℃时，其对3层铝线的疲劳性能影响不大；退火温度高于250 ℃时，随着退火温度的增加，导线的疲劳性能急剧下降。同时，在同一退火温度下，3层导线的拉伸次数差异不大，因此对于其他3种型号导线，不必再对外层导线分组，可统一处理。

JL/G1A-400/35真实山火烧后导线和新线的各铝线层及钢芯层拉伸疲劳强度的对比如图3所示。可见，真实山火烧过导线在抗疲劳特性方面与新导线的差异并不大。对于不同温度烧烤后的导线，300 ℃烧烤下的导线最接近真实山火烧过的导线。

对JL/G1A-300/25、JL/G1A-240/30、JL/G1A-300/40 3种导线的实验数据进行处理，拟合得到循环次数与处理温度的关系曲线，如图4所示。根据国家标准《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》，进行疲劳试验时一般选取屈服强度的60%作为开始试验时设定的最大应力值，然后根据疲劳情况适当增加或减小最大应力值^[15]。本实验中，根据静态拉伸试验得出铝线的屈服强度为(168.0±18.5) MPa，钢芯的屈服强度为(1427.0±139.3) MPa^[10]。

在拉伸次数超过50 000次的情况下导线的断裂大部分发生在端部，这是由于拉伸试验机固定试样时其端部出现应力集中，这是本研究的不足之处。实验过程出现了差异较大的数据，除去这些离散性较大的数据，再取试验的平均水平。另外，部分试件在拉伸疲劳破坏时，断口有明显的颈缩现象，属于正常的拉伸破坏断口。综合考虑这些不足，导线的真实疲劳水平应该较实验结果整体偏高^[16]。因此，导线山火疲劳破坏实验有待改进。

通过管式电阻炉将4种钢芯铝绞线加热到不同温度后空冷至室温，对其施加交变激励，测试导线的疲劳性能。试验结果显示，当导线受到山火烧烤时，其疲劳强度随着烧烤温度的增加而减小，超过250 ℃时导线的拉伸循环次数急剧下降，超过350 ℃后趋于稳定。这种现象是由导线材料内部晶体发生变化引起的，退火过程中材料发生结晶现象，从而使导线的疲劳强度变小。研究结果在一定程度上反映了退火温度与导线疲劳性能的变化规律，为工程应用提供一定的参考。