“应力集中”机理、后果与缓解之道
应力集中这四个字，经常被谈起，特别是发现哪里断裂了的时候，那么，什么是应力集中？为什么会应力集中？应力集中的后果是什么？应力集中该如何缓解？文本聚焦上述四个问题展开。
应力集中的定义
应力集中是指在固体局部区域内，由于几何形状突变、材料不连续性或外部载荷作用等因素，导致应力显著增高的现象。这种现象通常出现在尖角、孔洞、缺口、沟槽以及有刚性约束处及其邻近区域。
在应力集中区域，应力的最大值（峰值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。局部增高的应力值随与峰值应力点的间距的增加而迅速衰减。由于峰值应力往往超过屈服极限而造成应力的重新分配，所以，实际的峰值应力常低于按弹性力学计算出的理论峰值应力.
应力集中的影响
应力集中对材料的疲劳寿命有着显著的负面影响。在受载零件上的不连续性部位（如轴肩、台阶、圆角、孔洞等）或缺陷，会严重影响零件的应力状态和断裂特征。这些不连续性部位和缺陷常常是作为应力集中的因素，萌生裂纹并形成断裂源。
缺口越尖锐，应力集中系数越大，应力集中程度越高，从而使得裂纹更容易在这些部位萌生。
对于脆性材料，应力集中处的应力达到比例极限后材料开始破坏。通常裂纹是在应力集中处形成，然后更大的应力集中将产生于裂纹尖端处，这反过来引起裂纹在该截面的进一步扩展，导致材料的突然断裂。
对于塑性材料，在静载荷作用下，细小的几何缺陷、划痕、小圆角等不需要过于担心，因为此时应力超过材料比例极限并不会导致裂纹产生。然而，在动载荷或交变载荷作用下，应力集中部位是疲劳裂纹的重要发源地，降低构件的疲劳寿命。
为了减少应力集中对材料疲劳寿命的影响，可以采取一系列措施，如消除尖角、改善构件外形、局部加强孔边以及提高材料表面光洁度等。此外，通过表面处理技术，如渗碳、氮化和碳氮共渗等，可以增加零件的耐磨性，提高零件的疲劳强度，特别是提高耐腐蚀疲劳和咬蚀的能力。
减少零件应力集中的措施
在设计过程中，减少零件的应力集中是非常重要的，因为应力集中可能导致零件过早失效。以下是一些有效的设计措施：
增加圆角：通过增加零件上的圆角半径，可以减少应力集中。圆角越大，连接面积越大，从而使得应力集中减小。
优化截面形状：设计时应避免突然变化的截面尺寸，如直角或锐角，而应采用曲线或渐变的截面形状，以减少应力集中。
使用过盈配合：在轴和孔的配合中，使用过盈配合可以减少应力集中。例如，在轴上开设卸载槽并滚压，或者在轮毂上开设卸载槽，都有助于减少应力集中。
设置键槽或花键：在需要传递扭矩的部位，可以设置键槽或花键，并在其周围设置退刀圆角，以减少应力集中。
使用特殊材料：选择具有良好韧性和抗疲劳性能的材料，如工程塑料Wintone Z63，可以帮助减少应力集中，提高零件的使用寿命和可靠性。
表面处理：对零件表面进行喷丸、滚压、渗氮等处理，可以改善材料表面的抗疲劳能力，从而减少应力集中。
避免不利的孔位：在设计时，应避免在高应力区域开设孔，以免增加应力集中。如果必须开设孔，应选择合适的位置和方向，以最小化应力集中的影响。
通过上述措施，可以在一定程度上降低零件的应力集中，延长其使用寿命，并提高其可靠性。在设计时，应综合考虑各种因素，选择最适合的设计方案。
