應(yīng)力集中

材料在交變應(yīng)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(yīng)力遠(yuǎn)小于其靜載下的強(qiáng)度極限時(shí)，破壞就可能發(fā)生。另外材料會(huì)由于截面尺寸改變而引起應(yīng)力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。對(duì)于組織均勻的脆性材料，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，這在構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。 (材料在交變應(yīng)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(yīng)力遠(yuǎn)小于其靜載下的強(qiáng)度極限時(shí)，破壞就可能發(fā)生。另外材料會(huì)由于截面尺寸改變而引起應(yīng)力的局部增大，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。

一 ，應(yīng)力集中:

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

二(靜載荷

1.塑性材料由于有屈服階段，可以使應(yīng)力集中趨于平均，因此不會(huì)發(fā)生脆性斷裂。 2. 脆性材料沒(méi)有屈服階段，當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到材料強(qiáng)度極限時(shí)，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(xué)》語(yǔ))

“在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下，應(yīng)力較高的點(diǎn)，逐步形成細(xì)微裂紋，裂紋尖端應(yīng)力嚴(yán)重集中，使裂紋逐步擴(kuò)大，構(gòu)件截面不斷削弱，在偶爾的超載沖擊下，構(gòu)件就會(huì)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(yuǎn)且橫截面尺寸又 無(wú)急劇變化的區(qū)域內(nèi)，橫截面上的應(yīng)力才是均勻分布的。然而工程中由于實(shí)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(shí)，橫截面上的應(yīng)力不再均勻分布，這已為理論和試驗(yàn)所證實(shí)。

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(yàn)結(jié)果可知 : 在圓孔附近的局部區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力急劇增大，而在離開(kāi)這一區(qū)域稍遠(yuǎn)處，應(yīng)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(yīng)力局部增大的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。在 I — I 截面上，孔邊最大應(yīng)力 與同一截面上的平均應(yīng)力 之比，用 表示

稱為理論應(yīng)力集中系數(shù)，它反映了應(yīng)力集中的程度，是一個(gè)大于 1 的系數(shù)。而且試驗(yàn)結(jié)果還表明 : 截面尺寸改變愈劇烈，應(yīng)力集中系數(shù)就愈大。因此，零件上應(yīng)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(guò)渡。

在靜荷作用下，各種材料對(duì)應(yīng)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(dāng)孔邊附近的最大應(yīng)力 達(dá)到屈服極限時(shí)，該處材料首先屈服，應(yīng)力暫時(shí)不再增大。如外力繼續(xù)增加，增加的應(yīng)力就由截面上尚未屈服的材料所承擔(dān)，使截面上其它點(diǎn)的應(yīng)力相繼增大到屈服極限，該截面上的應(yīng)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(yīng)力集中的影響。而對(duì)于組織均勻的脆性材料，因材料不存在屈服，當(dāng)孔邊最大應(yīng)力的值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，該處首先斷裂。因此用脆性材料制作的零件，應(yīng)力集中將大大降低構(gòu)件的強(qiáng)度，其危害是嚴(yán)重的。這樣，即使在靜載荷作用下一般也應(yīng)考慮應(yīng)力集中對(duì)材料承載能力的影響。然而，對(duì)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(yīng)力集中的主要因素，而截面形狀改變引起的應(yīng)力集中就可能成為次要的了，它對(duì)構(gòu)件承載能力不一定會(huì)造成明顯的影響。 四.消除應(yīng)力

(倒角一般是為了去除毛刺，而倒圓角是為了消除應(yīng)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(yīng)倒小圓角;在尺寸突然變化很大的地方，應(yīng)倒圓角以消除應(yīng)力;有熱處理要求的工件，根據(jù)情況應(yīng)盡量倒小圓角。)

殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力是衡量零件質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，也是學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn)。

用能量作功的方法可以加深對(duì)殘余應(yīng)力的認(rèn)識(shí):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(dāng)外力消除以后，應(yīng)力不均勻的能量要施放出來(lái)，引起了零件緩慢地變形，即殘余應(yīng)力作功，使原有加工精度逐漸喪失，直到能量全部施放出來(lái)為止，變形結(jié)束。尤其在儀器生產(chǎn)中，殘余應(yīng)力可能使整臺(tái)儀器喪失精度而成為廢品。應(yīng)當(dāng)了解殘余應(yīng)力的“緩釋”特點(diǎn)，熟悉殘余應(yīng)力產(chǎn)生原因，掌握減小和消除殘余應(yīng)力的技術(shù)手段。

殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

在機(jī)械制造中，各種工藝過(guò)程往往都會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但是，如果從本質(zhì)上講，產(chǎn)生殘余應(yīng)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(yīng)力的作用

機(jī)械零部件和大型機(jī)械構(gòu)件中的殘余應(yīng)力對(duì)其疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)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(dāng)?shù)摹⒎植己侠淼臍堄鄩簯?yīng)力可能成為提高疲勞強(qiáng)度、提高抗應(yīng)力腐蝕能力，從而延長(zhǎng)零件和構(gòu)件使用壽命的因素;而不適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，失卻尺寸精度，甚至導(dǎo)致變形、開(kāi)裂等早期失效事故。

殘余應(yīng)力的調(diào)整

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

通常調(diào)整殘余應(yīng)力的方法有:

1.加熱，即回火處理,利用殘余應(yīng)力的熱松弛效應(yīng)消除或降低殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)力。

3.振動(dòng)時(shí)效，英文叫做Vibration Stress Relief,簡(jiǎn)稱VSR 。在國(guó)際上，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家起始于上世紀(jì)50年代，我國(guó)從70年代研究和推廣。振動(dòng)消除應(yīng)力主要特點(diǎn):

(1)、處理時(shí)間短;

(2)、適用范圍廣;

(3)、能源消耗少;

(4)、設(shè)備投資小，操作簡(jiǎn)便。

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

殘余應(yīng)力的測(cè)量方法

殘余應(yīng)力的測(cè)量方法可以分為有損和無(wú)損兩大類。

有損測(cè)試方法就是應(yīng)力釋放法，也可以稱為機(jī)械的方法;無(wú)損方法就是物理的方法。

機(jī)械方法目前用得最多的是鉆孔法(盲孔法)，其次還有針對(duì)一定對(duì)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(zhǔn)確測(cè)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(yīng)力所對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變必然表征為晶面間距的相對(duì)變化。當(dāng)材料中有應(yīng)力σ存在時(shí)，其晶面間距d 必然隨晶面與應(yīng)力相對(duì)取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也 會(huì)相應(yīng)改變。因此有可能通過(guò)測(cè)量衍射角2θ隨晶面取向不同而發(fā)生的變化來(lái)求得應(yīng)力σ。從這里可以看出X射線衍射法測(cè)定應(yīng)力的原理是成熟的，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的歷程，在國(guó)內(nèi)外，測(cè)量方法的研究深入而廣泛，測(cè)試技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)比較完善，不但可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，可且可以應(yīng)用到各種實(shí)際工件，包括大型工件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。