应力集中与失效分析

应力集中与失效分析

一、引言

由于构造和使用等方面的需要，往往需要在构件上开孔、沟槽、缺口、台阶等，然而，在这些部位附近，因截面尺寸的急剧变化，将产生局部的高应力，其应力峰值远大于由基本公式算得的应力值。这种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称为应力集中，引起应力集中的孔、沟槽、缺口、台阶等几何体称为应力集中因素。应力集中削弱了构件的强度，降低了构件的承载能力。从而，应力集中处往往是构件破坏的起始点，是引起构件破坏的主要因素。该现象普遍存在于各种构件中，大部分构件的破坏事故都是由应力集中引起的。因此，为了确保构件的安全使用，提高产品的质量和经济效益，必须科学地处理构件的应力集中问题。

二、产生应力集中的原因

构件中产生应力集中的原因主要有：

(1) 截面尺寸的急剧变化。如：构件中的油孔、键槽、缺口、台阶等。

(2) 构件受到集中力作用。如：齿轮轮齿之间的接触点，火车车轮与钢轨的接触点等。

(3) 材料本身的不连续性。如材料中的夹杂、气孔等。

(4) 构件中由于装配、焊接、冷加工、磨削等而产生的裂纹。

(5) 构件在制造或装配过程中，由于强拉伸、冷加工、热处理、焊接等而引起的残余应力。这些残余应力叠加上工作应力后，有可能出现较大的应力集中。 (6) 构件在加工或运输中的意外碰伤和刮痕。

三、应力集中的物理解释

如图，在构件的中间开孔拉杆，故在外力作用下，部件中尺寸发生突然变化的截面上的应力并不是均匀分布的，在圆孔边缘的应力明显大于截面上的平均应力。

应力集中的程度可以用理论应力集中系数表示：

式中，为截面上的最大局部应力；为名义应力，即认为应力在截面上均匀分布而求得的力。设图中的板宽为b，圆孔直径为d，厚度为，则

可以由弹性理论或试验等方法确定。试验结果表明，截面尺寸改变的越急剧，角

越尖，孔越小，应力集中的程度越严重。

四、应力集中对构件强度的影响

在静荷载作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不同的。

像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔附近的最大应力达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就有截面上尚未屈服的材料所承担，是截面上其他点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均，因此，用塑性材料制作的零件，在静载荷作用下可以不考虑应力集中的影响。

而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前，当孔最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。这样，即使在静载荷作用下一般也应该考虑应力集中对材料承载能力的影响。

然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对于构件的承载能力不一定会造成明显的问题。

五、应用

（一）、如何避免应力集中

1、在构件截面阶梯变化处增加导角

2、在轴截面阶梯变化处设计减荷槽

3、在连接处设计减荷槽

4、轴上开孔开成通孔

5、对厚板的焊接边加工斜角

6、对材料表面作喷丸、辊压、氧化等处理，以提高材料表面的疲劳强度

7、改善结构外形，避免形状突变，尽可能开圆孔或椭圆孔

8、结构内必须开孔时，尽量避开高应力区，而在低应力区开孔

8、根据孔应力集中的分析成果进行孔局部加强。

（二）、具体应用

1、超声冲击与锤击

超声冲击消应力工艺的特点是：在超声（≥16KHz）下应用束状冲头，在对焊趾和焊缝表面进行冲击；

2、爆炸法工艺

将特种专用炸药沿焊缝走向粘贴在焊缝附近。炸药引爆后产生连续的冲击波迫使结构的峰值应力区域发生塑性变形，以此达到消应力的目的。据报道消除厚度可达70mm，效果可达60％，瞬间完成，适合大型和特大型结构，在水利涵管方面应用较多。