應力集中

材料在交變應力作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞。通常材料承受的交變應力遠小于其靜載下的強度極限時，破壞就可能發(fā)生。另外材料會由于截面尺寸改變而引起應力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應力集中。對于組織均勻的脆性材料，應力集中將大大降低構(gòu)件的強度，這在構(gòu)件的設(shè)計時應特別注意。 (材料在交變應力作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞。通常材料承受的交變應力遠小于其靜載下的強度極限時，破壞就可能發(fā)生。另外材料會由于截面尺寸改變而引起應力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應力集中。

一 ，應力集中:

在零件截面尺寸突然改變時，應力分布并不均勻，如在開口，尖角處應力劇烈增大這種現(xiàn)象稱為--應力集中

二(靜載荷

1.塑性材料由于有屈服階段，可以使應力集中趨于平均，因此不會發(fā)生脆性斷裂。 2. 脆性材料沒有屈服階段，當最大應力達到材料強度極限時，發(fā)生脆性斷裂。 三(交變載荷

在此載荷下塑性材料也可發(fā)生脆性斷裂:(以下為《材料力學》語)

“在長期交變應力作用下，應力較高的點，逐步形成細微裂紋，裂紋尖端應力嚴重集中，使裂紋逐步擴大，構(gòu)件截面不斷削弱，在偶爾的超載沖擊下，構(gòu)件就會發(fā)生突然的脆性斷裂。”)

承受軸向拉伸、壓縮的構(gòu)件，只有在寓加力區(qū)域稍遠且橫截面尺寸又 無急劇變化的區(qū)域內(nèi)，橫截面上的應力才是均勻分布的。然而工程中由于實際需要，某些零件常有切口、切槽、螺紋等，因而使桿件上的橫截面尺寸發(fā)生突然改變，這時，橫截面上的應力不再均勻分布，這已為理論和試驗所證實。

如圖 2-31[a] 所示的帶圓孔的板條，使其承受軸向拉伸。由試驗結(jié)果可知 : 在圓孔附近的局部區(qū)域內(nèi)，應力急劇增大，而在離開這一區(qū)域稍遠處，應力迅速減小而趨于均勻 ( 圖 2 — 31[b]) 。這種由于截面尺寸突然改變而引起的應力局部增大的現(xiàn)象稱為應力集中。在 I — I 截面上，孔邊最大應力 與同一截面上的平均應力 之比，用 表示

稱為理論應力集中系數(shù)，它反映了應力集中的程度，是一個大于 1 的系數(shù)。而且試驗結(jié)果還表明 : 截面尺寸改變愈劇烈，應力集中系數(shù)就愈大。因此，零件上應盡量避免帶尖角的孔或槽，在階梯桿截面的突變處要用圓弧過渡。

在靜荷作用下，各種材料對應力集中的敏感程度是不相同的。像低碳鋼那樣的塑性材料具有屈服階段，當孔邊附近的最大應力 達到屈服極限時，該處材料首先屈服，應力暫時不再增大。如外力繼續(xù)增加，增加的應力就由截面上尚未屈服的材料所承擔，使截面上其它點的應力相繼增大到屈服極限，該截面上的應力逐漸趨于平均，如圖 2-32 所示。因此，用塑性材料制作的零件，在靜荷作用下可以不考慮應力集中的影響。而對于組織均勻的脆性材料，因材料不存在屈服，當孔邊最大應力的值達到材料的強度極限時，該處首先斷裂。因此用脆性材料制作的零件，應力集中將大大降低構(gòu)件的強度，其危害是嚴重的。這樣，即使在靜載荷作用下一般也應考慮應力集中對材料承載能力的影響。然而，對于組織不均勻的脆性材料，如鑄鐵，其內(nèi)部組織的不均勻性和缺陷，往往是產(chǎn)生應力集中的主要因素，而截面形狀改變引起的應力集中就可能成為次要的了，它對構(gòu)件承載能力不一定會造成明顯的影響。 四.消除應力

(倒角一般是為了去除毛刺，而倒圓角是為了消除應力集中。大部分情況是去除毛刺，但在安裝密封圈的溝槽，則不能倒角以防止刮傷密封圈，應倒小圓角;在尺寸突然變化很大的地方，應倒圓角以消除應力;有熱處理要求的工件，根據(jù)情況應盡量倒小圓角。)

殘余應力

殘余應力是衡量零件質(zhì)量的重要指標之一，也是學習的一個難點。

用能量作功的方法可以加深對殘余應力的認識:外力使零件變形，其中引起塑性變形的外力作的功以零件內(nèi)部材料變形而存貯在零件內(nèi)。當外力消除以后，應力不均勻的能量要施放出來，引起了零件緩慢地變形，即殘余應力作功，使原有加工精度逐漸喪失，直到能量全部施放出來為止，變形結(jié)束。尤其在儀器生產(chǎn)中，殘余應力可能使整臺儀器喪失精度而成為廢品。應當了解殘余應力的“緩釋”特點，熟悉殘余應力產(chǎn)生原因，掌握減小和消除殘余應力的技術(shù)手段。

殘余應力的產(chǎn)生

在機械制造中，各種工藝過程往往都會產(chǎn)生殘余應力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應力的原因可以歸結(jié)為:

1.不均勻的塑性變形;

2.不均勻的溫度變化;

3.不均勻的相變。

殘余應力的作用

機械零部件和大型機械構(gòu)件中的殘余應力對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著十分重要的影響。

適當?shù)?、分布合理的殘余壓應力可能成為提高疲勞強度、提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構(gòu)件使用壽命的因素;而不適當?shù)臍堄鄳t會降低疲勞強度，產(chǎn)生應力腐蝕，失卻尺寸精度，甚至導致變形、開裂等早期失效事故。

殘余應力的調(diào)整

針對工件的具體服役條件，采取一定的工藝措施，消除或降低對其使用性能不利的殘余拉應力，有時還可以引入有益的殘余壓應力分布，這就是殘余應力的調(diào)整問題。

通常調(diào)整殘余應力的方法有:

1.加熱，即回火處理,利用殘余應力的熱松弛效應消除或降低殘余應力。

2.施加靜載，使工件產(chǎn)生整體或局部、甚至微區(qū)的塑性變形，也可以調(diào)整工件的殘余應力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內(nèi)部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發(fā)生微量塑性變形，以減小焊接殘余應力。

3.振動時效，英文叫做Vibration Stress Relief,簡稱VSR 。在國際上，工業(yè)發(fā)達國家起始于上世紀50年代，我國從70年代研究和推廣。振動消除應力主要特點:

(1)、處理時間短;

(2)、適用范圍廣;

(3)、能源消耗少;

(4)、設(shè)備投資小，操作簡便。

4.錘擊、噴丸、滾壓等。噴丸強化是行之有效、應用廣泛的強化零件的手段，噴丸的同時也改變了表面殘余應力狀態(tài)和分布，而噴丸產(chǎn)生的殘余壓應力又是強化機理中的重要因素。

殘余應力的測量方法

殘余應力的測量方法可以分為有損和無損兩大類。

有損測試方法就是應力釋放法，也可以稱為機械的方法;無損方法就是物理的方法。

機械方法目前用得最多的是鉆孔法(盲孔法)，其次還有針對一定對象的環(huán)芯法。

物理方法中用得最多的是X射線衍射法，其他主要物理方法還有中子衍射法、磁性 X射線衍射法依據(jù)X射線衍射原理，即布拉格定律。布拉格定律把宏觀上可以準確測定的衍射角同材料中的晶面間距建立確定的關(guān)系。材料中的應力所對應的彈性應變必然表征為晶面間距的相對變化。當材料中有應力σ存在時，其晶面間距d 必然隨晶面與應力相對取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也 會相應改變。因此有可能通過測量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來求得應力σ。從這里可以看出X射線衍射法測定應力的原理是成熟的，經(jīng)過半個多世紀的歷程，在國內(nèi)外，測量方法的研究深入而廣泛，測試技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)比較完善，不但可以在實驗室進行研究，可且可以應用到各種實際工件，包括大型工件的現(xiàn)場測量。