应力集中

应力集中是指受力构件由于几何形状、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。

当材料受力时材料表面及内部缺陷处的应力远大于平均应力的现象称为应力集中现象，简称应力集中。

通过提高冶金质量、加工质量可有效减小应力集中。

脆性材料在外力作用下（如拉伸、冲击等）仅产生很小的变形即破坏断裂的性质。对于由脆性材料制成的构件，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。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。

对于由塑性材料制成的构件，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。

铸铁（牌号一般为以Q、HT等开头的材料）,与非金属材料都是脆性材料，碳钢（如45、20等）、铬钢、硅合金钢还有其他一些硬度较小而韧性较好的合金钢为塑性材料

延伸率δ是衡量材料塑性性能的指标。——工程上通常把δ＞5％的材料称为塑性材料，如钢、铜、铝合金等；把δ＜5％的材料称为脆性材料，如铸铁、陶瓷、石材等。

低碳钢是典型的塑性材料，其延伸率δ为20～30％。铸铁是典型的脆性材料，其延伸率δ＜1％。

由低碳钢等塑性材料制成的构件，当应力达到屈服极限σs时，会因显著的塑性变形而使构件原有形状和尺寸发生改变，不再能够正常工作。由铸铁等脆性材料制成的构件，会因应力达到强度极限σb而发生断裂，尽管断裂之前变形还很小。构件失去正常工作能力或发生断裂破坏时的应力，称为极限应力。

塑性材料在断裂前已发生显著的塑性变形，故塑性材料的极限应力应是屈服极限σs，而脆性材料直至断裂时也无显著的变形，故脆性材料的极限应力就是强度极限σb。

塑性材料和脆性材料在力学性能上的主要差异是：

塑性材料在断裂前的变形较大，塑性指标（断面收缩率和伸长率）较高，抵抗拉断的能力较好，其常用的强度指标是屈服极限，而且一般地说，在拉伸和压缩时的屈服极限值相同。

脆性材料在断裂前变形较小，塑性指标较低，其强度指标是强度极限，而其抗拉强度远低于抗压强度。但是材料是塑性的还是脆性的，并非一成不变，它将随材料所处的温度、应变率和应力状态等条件的变化而不同。

减少应力集中的办法是尽量使构建的外形圆滑过渡，例如使用倒圆，倒角等，可明显降低局部应力集中。

材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，这在构件的设计时应特别注意。

承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无急剧变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而工程中由于实际需要，某些零件常有切口、切槽、螺纹等，因而使杆件上的横截面尺寸发生突然改变，这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和试验所证实。

请注意“应力集中”

应力集中在工程上造成很多破坏，飞机掉下来、建筑跨下来，工程师最怕机械零件应力集中处。那么，什么是“应力集中”呢？应力集中就是由于机械某零部件设计的形状不好，结构不合理等诸多原因造成机械零件的低应力破坏。老百姓说材料还是不错的，但轻轻一碰就坏了。

例一：玻璃上有一小裂纹，裂纹的终端就是应力集中处。大家都知道这块玻璃不行了，轻轻一碰就会坏的。但在厂里工程师有办法，只要这零件（当然不是讲玻璃）强度还可以，我们在裂纹终端钻一个二毫米小孔，形状像小蝌蚪一样，应力集中就消失了。有时这零件更换原因还不是因为这个裂纹。

例二：钳工用的钢尺是L型的，检查机械垂直度。由于内直角处应力集中，容易产生裂纹，产生裂纹后一是容易折断，二是直角不直了。我们同样在内直角处打一小孔，把一点的应力集中，分散到小园周上。大家知道点是没有长度的，而小园周长是有长度的，扩大了多少倍呢？打一小孔，去掉一点材料还好些。

例三：建筑物柱上的梁，从柱旁梁底斜向中间45度这个面受到拉应力集中，水泥是不抗拉的。我们就把梁下部水平钢筋弯起，和这个面垂直来承受拉应力。合理利用材料。

例四：“磨刀不误砍柴时”是讲时间，其实磨刀也是为了消除刃口上的裂纹和崩口----应力集中。钝刀和没有精磨过的刀工作时加工质量不好，磨损也较快。理发师在刮胡子前在皮上荡刀也是这个意思，这样还可以加长刀具寿命。

例五：带锯条最早是斜面、斜口银焊，焊接质量不错。考虑到银是金钱，改用氧焊、甚至于对焊。由于锯钢是冷压钢，焊接形成铸钢性质。再加上温度、焊渣堆集等因素造成应力集中。如同某松鼠说可回火处理，消除部分应力集中。在氧焊中我们还锤打，模拟冷压钢材。工程师首先要用经验发现应力集中处，然后才能用仪器检查之！抛砖引玉，见笑！

玻璃上没有裂纹也会有应力的，可以退火处理。不同的形状和体积退火T-t 曲线不同，退火前后都可以通过光学测量看到应力分布。N次退火后可以完全消失（一个范围内）正常使用。

从钢索断裂到“轻功”骗人----漫谈“应力集中”

来源：《知识就是力量》2009.9 2009-11-23 10:04:00 【文章字体：大中小】

文：陈仁政图：郑勇

“……有一身轻功，长期只身徒手翻到18层以上高楼入室盗窃……”这是重庆某报在2009年3月5日的一篇报道中用的话。那么，真有所谓“轻功”吗?

巧断绳子的奥秘。手头没有工具，怎样徒手把不易拉断的绳子拉断呢?这是一个“难题”。

把绳子的一端在左手的食指上绕几圈，然后在手掌上穿一个花结，如图1、再在离左手大约半米的地方，把绳子的另一端在右手上绕四五圈并攥紧。最后，两手分别握拳并凑在一起，接着右拳迅速往右下、左拳迅速往左上奋力一挣，绳子就在花结处被挣断了。

那么，牢固的绳子怎么就这样“不堪一挣”呢?原来，是两手把全部力量集

中到了绳子的花结处，绳子在这里的相互作用力很大，就像被小刀切割那样而断裂。所以，奥秘在于“应力集中”——分散的力集中到某一处的现象。一张没有裂口的报纸不易破裂，但在边缘轻轻一撕就很容易破裂，也是类似的现象。应力集中是力学中“断裂力学”研究的内容。

不可忽视的应力集中。2008年5月2日和6月6日，重庆一个小区内两户居民家的钢化玻璃幕墙先后爆裂……这类钢化玻璃爆裂事件还时常发生在公共场所。2007年9月，重庆主城区一座大商场的钢化玻璃门突然“粉身碎骨”。2007年底，上海姑娘王××特地赶回重庆，要在2008年1月9日和重庆小伙张××完婚。元旦这天，她在重庆的一家酒店淋浴。突然，随着浴室内玻璃的一声巨响，她全身11处被扎伤，不得不取消婚礼。这些玻璃并没有受到猛烈撞击，怎么就突然“弱不禁风”而轰然碎裂呢?原来，这是物体内部应力集中引起破坏的结果。

物体内部应力集中引起的事故，远不止钢化玻璃爆裂。在第二次世界大战中，德国的一种飞机中的一根金属轴，总是莫名其妙地折断，当时束手无策，后来才查出是物体内部应力集中……

金属内部应力集中引起破坏的原因之一，是内部结构包括原子“位错”(图2)在内的各种缺陷一一这往往不可避免。在金属材料的内部，不是均匀、连续且各向同性的多晶体，而是在冶、轧、铸、焊和热处理等工序中，常常引入了包括气体在内的杂质或产生微裂纹。这些潜在的破坏因素在使用过程中进一步扩张，最终因应力集中造成材料严重损坏。进一步的研究还发现了原子空位、填隙原子等缺陷。非金属材料内部类似一一并不表现为理论上的绝对均匀、连续且各向同性。

地壳内部应力集中还可能引起地震。著名的“5．12”汶川地震，就是印度板块向北推挤，碰到扬子地块阻挡后使青藏高原隆升，造成应力集中引起的：“由于能量和地应力的长期积累．最后在边缘龙门山断裂带进行能量释放，从而引起地壳变形断裂和地震。”