實(shí)際的金屬構(gòu)件因其結(jié)構(gòu)需要，一般具有各種孔、臺(tái)階、槽、缺口和幾何尺寸變化等。同時(shí)，零件或構(gòu)件在加工以及材料在冶煉過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些缺陷，如零件表面的加工刀痕，截面變化時(shí)的圓角過(guò)渡不光滑，螺紋根部尖角，材料中的夾雜物、裂紋等。實(shí)踐證明，在這些部位都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力大于材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件首先在應(yīng)力集中部位或附近發(fā)生斷裂失效。應(yīng)力集中對(duì)零件失效的影響，在一定程度上與材料的缺口敏感性有關(guān)。缺口導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)的變化和應(yīng)力集中，有使材料變脆的趨向。不同材料的缺口敏感性是不同的，一般用缺口試樣強(qiáng)度與光滑試樣強(qiáng)度的比值NSR來(lái)表示材料的缺口敏感性，即：RNm-缺口試樣的抗拉強(qiáng)度（缺口拉伸試樣的幾何形狀應(yīng)按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行）；比值NSR越大，缺口敏感性越小。當(dāng)NSR>1時(shí)，說(shuō)明缺口處發(fā)生了塑性變形的擴(kuò)展，比值越大，說(shuō)明塑性變形擴(kuò)展量越大，脆化傾向越小。當(dāng)塑性材料的NSR>1，材料反而具有缺口強(qiáng)化效應(yīng)，缺口敏感性小甚至不敏感。當(dāng)NSR<1時(shí)，說(shuō)明缺口處還未明顯發(fā)生塑性變形擴(kuò)展就脆斷，表示缺口敏感。但在實(shí)際使用時(shí)，還要考慮尺寸因素（尺寸愈大，缺陷出現(xiàn)的概率愈大，NSR越低）及表面因素（表面越粗糙，NSR降低得越多）。實(shí)際工作中的零件，有些不可避免地帶有缺口，而且要承受偏斜載荷，如螺栓類零件。有時(shí)正向載荷的缺口敏感性并不大，但在承受斜拉伸時(shí)就表現(xiàn)得比較明顯。例如30CrMnsi高強(qiáng)度螺栓經(jīng)200℃回火的抗拉強(qiáng)度比500℃回火的要高，缺口敏感性和沖擊韌度也不算低，應(yīng)選擇200℃回火以發(fā)揮材料高強(qiáng)度的優(yōu)越性，但從0~80材料的拉伸結(jié)果來(lái)看，經(jīng)500℃回火的偏斜拉伸缺口敏感性均較200℃回火的要小，故選用500℃回火工藝可以提高零件的韌性，降低脆性斷裂的概率。（1）材料力學(xué)性能的影響通常，材料硬度越高，脆性越大，塑性和韌性越低，應(yīng)力集中作用越強(qiáng)烈，其裂紋擴(kuò)展速率也越大。
（2）零件幾何形狀的影響許多零件由于結(jié)構(gòu)上的需要或設(shè)計(jì)上的不合理，在結(jié)構(gòu)上有尖銳的凸邊、溝槽或缺口等，在加工或使用過(guò)程中，將在這些尖銳部位產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致開裂，見圖所示。
（3）零件應(yīng)力狀態(tài)的影響當(dāng)材料質(zhì)量合格、幾何形狀合理的情況下，裂紋起源的部位主要受零件應(yīng)力狀態(tài)的影響，此時(shí)，裂紋將在最大應(yīng)力處形成。例如，在單向彎曲疲勞時(shí)，疲勞裂紋一般起源于受力一邊的應(yīng)力最大處；在雙向彎曲疲勞時(shí)，疲勞裂紋一般起源于受力兩邊的應(yīng)力最大處；在齒輪齒面上的裂紋，一般起源于節(jié)圓附近；具有臺(tái)階的軸，承受扭轉(zhuǎn)、彎曲、切應(yīng)力的聯(lián)合作用時(shí)，裂紋一般起源于最大（危險(xiǎn)）截面的臺(tái)階過(guò)渡處。在這些部位，應(yīng)盡量避免人為的應(yīng)力集中，如表面的加工缺陷、溝槽、臺(tái)階過(guò)渡處的不光滑等。
（4）加工缺陷的影響由于零部件加工精度要求不高，或者沒(méi)有按照?qǐng)D樣要求加工，致使零件的實(shí)際應(yīng)力集中系數(shù)比計(jì)算值高出許多，從而使實(shí)際應(yīng)力加大，導(dǎo)致開裂失效。由于加工刀痕等加工缺陷存在，在零件以后的服役過(guò)程中，由刀痕引起的應(yīng)力集中也往往導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。對(duì)于焊接或鑄造缺陷，如焊接接頭的咬邊、鑄件的錯(cuò)縫等，也易引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致使用中的開裂。（5）裝配、檢驗(yàn)產(chǎn)生缺陷的影響設(shè)備和構(gòu)件在安裝過(guò)程中，如果不嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)范，就會(huì)產(chǎn)生不應(yīng)有的安裝缺陷，如構(gòu)件表面的劃傷、錘擊坑等。例如，某腐蝕防護(hù)工程需要鋪設(shè)不銹鋼鋼板，由于鋼板所受應(yīng)力很低，經(jīng)分析不足以引起過(guò)早的應(yīng)力腐蝕開裂。但是工人在操作時(shí)，穿的是帶釘?shù)钠ば诓讳P鋼鋼板表面踩踏而形成小坑。在踩踏坑周邊，由于應(yīng)力集中的作用，其應(yīng)力增加，應(yīng)力腐蝕裂紋即從這些地方開始。
在設(shè)備和構(gòu)件的檢驗(yàn)、維修中，也會(huì)造成應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致開裂。例如某石油機(jī)械廠生產(chǎn)的采油機(jī)減速器發(fā)生二級(jí)軸斷裂，軸徑為4450mm，45鋼調(diào)質(zhì)處理。斷裂部位在軸承與中間軸段的過(guò)渡段，中間軸段的直徑為中500mm，安裝軸承的軸頸部分直徑為4410mm。經(jīng)分析，斷裂為疲勞斷裂，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)與最后瞬斷區(qū)的比例高于80%。經(jīng)檢查，材質(zhì)沒(méi)有問(wèn)題，加工表面粗糙度值也沒(méi)有問(wèn)題。最后分析確認(rèn)，疲勞裂紋源于表面的一串小坑。經(jīng)了解，這一串小坑是檢驗(yàn)人員在檢測(cè)硬度時(shí)留下的。當(dāng)時(shí)出于“認(rèn)真”考慮，在檢測(cè)時(shí)沿周向畫了一條線，硬度坑沿這條線分布。由于7個(gè)硬度坑在一條線上且相距不遠(yuǎn)，最后形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致發(fā)生疲勞開裂。【案例】某產(chǎn)品被動(dòng)軸斷裂為四段，該軸動(dòng)力輸入端花鍵部分發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形，安裝軸承處的外表面擠傷。案例分析：該被動(dòng)軸在正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，首先在油孔和軸相交處產(chǎn)生應(yīng)力集中，由此產(chǎn)生微裂紋。在周期載荷作用下裂紋逐漸變大，達(dá)到一定尺寸后裂紋開始沿垂直于最大正應(yīng)力的方向擴(kuò)展，形成疲勞裂紋源，并逐漸擴(kuò)展。由于后續(xù)的超載或破碎軸承的嵌入和擠壓作用而導(dǎo)致正常運(yùn)轉(zhuǎn)的被動(dòng)軸驟然停轉(zhuǎn)，使裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展、斷裂。應(yīng)力集中現(xiàn)象是普遍存在的，它對(duì)失效的影響很大，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督，嚴(yán)格檢查，消除一些不必要的應(yīng)力集中因素（如加工缺陷）。同時(shí)，要采取一定的技術(shù)措施，在設(shè)計(jì)和加工中盡量減小應(yīng)力集中程度。
1，從強(qiáng)化材料方面降低應(yīng)力集中的影響采取局部強(qiáng)化以提高應(yīng)力集中處的材料疲勞強(qiáng)度，從而減少應(yīng)力集中的危害。表面熱處理強(qiáng)化包括表面感應(yīng)淬火、滲碳、滲氮和復(fù)合處理等，可得到軟（高韌性）的心部、硬的表層，在表層還存在殘余壓應(yīng)力，由此降低應(yīng)力集中的影響。直徑大且有截面變化的短軸類零件，如選用低淬透性鋼，經(jīng)強(qiáng)烈淬火后可形成薄的表面淬硬層，其內(nèi)存在殘余壓應(yīng)力，可降低應(yīng)力集中的影響。薄殼淬火與表面感應(yīng)溶火相比有其較為有利的一面，即對(duì)于類似的零件，感應(yīng)率火容易使截面變化的過(guò)渡區(qū)（如軸肩）無(wú)法淬火而存在殘余拉應(yīng)力，反而加大了應(yīng)力集中的有害作用。
（3）噴丸強(qiáng)化
使金屬表層強(qiáng)化且產(chǎn)生大的殘余壓應(yīng)力，從而降低應(yīng)力集中的危害。高強(qiáng)度材料表面粗糙度值大或有缺陷時(shí)，噴丸處理對(duì)降低應(yīng)力集中的影響更明顯。應(yīng)力噴丸處理比一般噴丸處理效果更好。使零件表面形變強(qiáng)化并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而降低應(yīng)力集中的有害作用。其效果與滾壓參數(shù)及材料本身的組織性能有關(guān)。2，從設(shè)計(jì)方面降低應(yīng)力集中系數(shù)
（1）變截面部位的過(guò)渡應(yīng)盡可能地加大過(guò)渡部分的圓角，使過(guò)渡區(qū)接近于流線形，同時(shí)也要考慮到工藝性。可以改變過(guò)渡方式，采用橢圓過(guò)渡比圓弧過(guò)渡更好，或者采用其他過(guò)渡方式。（2）根據(jù)零件的受力方向和位置選擇適當(dāng)?shù)拈_孔部位孔一般應(yīng)開在低應(yīng)力區(qū)，如果必須開在高應(yīng)力區(qū)，則應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)措施。橢圓形的長(zhǎng)軸應(yīng)與主應(yīng)力方向平行，以降低應(yīng)力集中系數(shù)。（3）在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位增開缺口和圓孔這樣可使應(yīng)力的流線平緩，從而降低最大應(yīng)力峰值。例如，圖a所示的應(yīng)力集中系數(shù)為3，而圖b所示的應(yīng)力集中系數(shù)為2.63。
同樣，在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位，加開卸載槽（圖），也可改善應(yīng)力集中情況。
大量的失效分析表明，加工中的刀痕、焊接時(shí)的缺陷、危險(xiǎn)截面部位的非金屬夾雜物、圓弧過(guò)渡的不光滑等，往往成為零件失效的直接促發(fā)因素，故在進(jìn)行失效分析時(shí)對(duì)應(yīng)力集中問(wèn)題不可忽視。
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