应力集中现象

应力集中现象

什么是应力集中？

应力集中是指受力构件由于外界因素或自身因素几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。主要指接头局部区域的Z大应力值比平均应力值高的现象。应力集中多出现于尖角、孔洞、缺口、沟槽以及有刚性约束处及其邻域。

应力集中的影响

应力集中会使物体产生疲劳裂纹，引起脆性材料断裂。在发生应力集中的区域，应力的Z大值（峰值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。局部的应力值随与峰值应力点的间距的增加而迅速衰减。由于峰值应力往往超过屈服极限（见材料力学性能）而造成应力的重新分配，所以，实际的峰值应力常低于按弹性力学计算出的理论峰值应力。

对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到Z大局部应力到达强度极限之前。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。

另一方面，由于应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响，所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。但是应力集中对构件的疲劳寿命影响很大，因此无论是脆性材料还是塑性材料的疲劳问题，都必须考虑应力集中的影响。

应力集中不仅与物体的形状及外形结构有关，还与选取材料有关，与外界应用环境也存在不可忽略的关系（如温度因素），另外，在加工过程中也可能导致应力的改变，例如回火不当引起二次淬火裂纹、电火花线切割加工显微裂纹、机械设计时也难免导致某部位的应力集中。

应力集中系数

反映局部应力程度的参数称为应力集中系数，一般用K表示。它是峰值应力与不考虑应力集中时的应力的比值，恒大于1且与载荷大小无关。在无限大平板的单向拉伸情况下，其中圆孔边缘的k=3；在弯曲情况下，对于不同的圆孔半径与板厚比值，k=1.8～3.0；在扭转情况下，k=1.6～4.0。

有效应力集中系数

金属构件的疲劳断裂源大多位于缺口，因此缺口对疲劳强度的影响受到人们极大的重视现在人们常用有效应力集中系数来表示缺口降低疲劳强度的程度, 如下式所示:

式中Kf称为有效应力集中系数，△σR和△σRN分别为光捧和缺口试样的疲劳强度幅值

下标R为应力比(R =σmin/σmax)，N表示缺口试样，缺口越尖锐，或者理论应力集中系数Kf越大，△σRN越低，Kf越大，所以把Kf称为疲劳强度降低系数，或称疲劳缺口系数。 

应力集中计算方法

在无限大平板的单向拉伸情况下，其中圆孔边缘的k=3；在弯曲情况下，对于不同的圆孔半径与板厚比值，k=1.8～3.0；在扭转情况下，k=1.6～4.0。　

如下图所示的带圆孔的板条，使其承受轴向拉伸。由试验结果可知 : 在圆孔附近的局部区域内，应力急剧增大，而在离开这一区域稍远处，应力迅速减小而趋于均匀。这种由于截面尺寸突然改变而引起的应力局部增大的现象称为应力集中。在 I — I 截面上，孔边Z大应力

σ max与同一截面上的平均应力σ之比，用a表示

称为理论应力集中系数，它反映了应力集中的程度，是一个大于 1 的系数。而且试验结果还表明 : 截面尺寸改变愈剧烈，应力集中系数就愈大。因此，零件上应尽量避免带尖角的孔或槽，在阶梯杆截面的突变处要用圆弧过渡。

如何避免应力集中造成的破坏

为了避免材料或构件因应力集中而造成的破坏，工程上主要采取以下一些措施：

①改善零件外形；曲率半径逐步变化的外形有利于降低应力集中系数，比较理想的办法是，采用流线型型线或双曲率型线，后者更便于在工程上应用；

②表面强化：对材料表面作喷丸、滚压、氮化等处理，可以提高材料表面的疲劳强度；

③孔边局部加强：在孔边采用加强环或作局部加厚均可使应力集中系数下降，下降程度与孔的形状和大小、加强环的形状和大小以及载荷形式有关；

④避免尖角：即把棱角改为过度圆角，适当增大过渡圆弧的半径，效果更好；

⑤提高低应力区应力，减小零件在低应力区的厚度，或在低应力区增开缺口或圆孔，使应力由低应力区向高应力区的过渡趋于平缓；

⑥适当选择开孔位置和方向：开孔的位置应尽量避开高应力区，并应避免因孔间相互影响而造成应力集中系数，对于椭圆孔，应使其长轴平行于外力的方向，这样可降低峰值应力；

⑦利用残余应力：在峰值应力超过屈服极限后卸载，就会产生残余应力，合理地利用残余应力也可降低应力集中系数。