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你不可不知的应力集中对零件失效的影响

仿真圈

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来源：腾鸿杰钢材，热家网

实际的金属构件因其结构需要，一般具有各种孔、台阶、槽、缺口和几何尺寸变化等。同时，零件或构件在加工以及材料在冶炼过程中不可避免地会产生一些缺陷，如零件表面的加工刀痕，截面变化时的圆角过渡不光滑，螺纹根部尖角，材料中的夹杂物、裂纹等。

实践证明，在这些部位都会产生应力集中现象。当应力集中区的最大应力大于材料的强度极限时，就会导致机械构件首先在应力集中部位或附近发生断裂失效。

材料的缺口敏感性

应力集中对零件失效的影响，在一定程度上与材料的缺口敏感性有关。缺口导致应力状态的变化和应力集中，有使材料变脆的趋向。不同材料的缺口敏感性是不同的，一般用缺口试样强度与光滑试样强度的比值NSR来表示材料的缺口敏感性，即：

式中：RNm——缺口试样的抗拉强度(缺口拉伸试样的几何形状应按有关标准执行)；Rm——光滑试样的抗拉强度。

比值NSR越大，缺口敏感性越小。当NSR>1时，说明缺口处发生了塑性变形的扩展，比值越大，说明塑性变形扩展量越大，脆化倾向越小。当塑性材料的NSR>1，材料反而具有缺口强化效应，缺口敏感性小甚至不敏感。当NSR<1时，说明缺口处还未明显发生塑性变形扩展就脆断，表示缺口敏感。

但在实际使用时，还要考虑尺寸因素(尺寸愈大，缺陷出现的概率愈大，NSR越低)及表面因素(表面越粗糙，NSR降低得越多)。实际工作中的零件，有些不可避免地带有缺口，而且要承受偏斜载荷，如螺栓类零件。

有时正向载荷的缺口敏感性并不大，但在承受斜拉伸时就表现得比较明显。例如30CrMnsi高强度螺栓经200℃回火的抗拉强度比500℃回火的要高，缺口敏感性和冲击韧度也不算低，应选择200℃回火以发挥材料高强度的优越性。但从材料的拉伸结果来看，经500℃回火的偏斜拉伸缺口敏感性均较200℃回火的要小，故选用500℃回火工艺可以提高零件的韧性，降低脆性断裂的概率。

影响应力集中与断裂失效的因素

(1)材料力学性能的影响。通常，材料硬度越高，脆性越大，塑性和韧性越低，应力集中作用越强烈，其裂纹扩展速率也越大。

(2)零件几何形状的影响。许多零件由于结构上的需要或设计上的不合理，在结构上有尖锐的凸边、沟槽或缺口等，在加工或使用过程中，将在这些尖锐部位产生很大的应力集中而导致开裂，见图所示。

(3)零件应力状态的影响。当材料质量合格、几何形状合理的情况下，裂纹起源的部位主要受零件应力状态的影响，此时，裂纹将在最大应力处形成。例如，在单向弯曲疲劳时，疲劳裂纹一般起源于受力一边的应力最大处；在双向弯曲疲劳时，疲劳裂纹一般起源于受力两边的应力最大处；在齿轮齿面上的裂纹，一般起源于节圆附近；具有台阶的轴，承受扭转、弯曲、切应力的联合作用时，裂纹一般起源于最大(危险)截面的台阶过渡处。在这些部位，应尽量避免人为的应力集中，如表面的加工缺陷、沟槽、台阶过渡处的不光滑等。

(4)加工缺陷的影响。由于零部件加工精度要求不高，或者没有按照图样要求加工，致使零件的实际应力集中系数比计算值高出许多，从而使实际应力加大，导致开裂失效。由于加工刀痕等加工缺陷存在，在零件以后的服役过程中，由刀痕引起的应力集中也往往导致裂纹的产生。对于焊接或铸造缺陷，如焊接接头的咬边、铸件的错缝等，也易引起应力集中，从而导致使用中的开裂。

(5)装配、检验产生缺陷的影响。设备和构件在安装过程中，如果不严格执行操作规范，就会产生不应有的安装缺陷，如构件表面的划伤、锤击坑等。例如，某腐蚀防护工程需要铺设不锈钢钢板，由于钢板所受应力很低，经分析不足以引起过早的应力腐蚀开裂。但是工人在操作时，穿的是带钉的皮鞋，在不锈钢钢板表面踩踏而形成小坑。在踩踏坑周边，由于应力集中的作用，其应力增加，应力腐蚀裂纹即从这些地方开始。

在设备和构件的检验、维修中，也会造成应力集中，从而导致开裂。例如某石油机械厂生产的采油机减速器发生二级轴断裂，轴径为4450mm，45钢调质处理。断裂部位在轴承与中间轴段的过渡段，中间轴段的直径为中500mm，安装轴承的轴颈部分直径为4410mm。

经分析，断裂为疲劳断裂，疲劳裂纹扩展区与最后瞬断区的比例高于80%。经检查，材质没有问题，加工表面粗糙度值也没有问题。最后分析确认，疲劳裂纹源于表面的一串小坑。经了解，这一串小坑是检验人员在检测硬度时留下的。当时出于考虑，在检测时沿周向画了一条线，硬度坑沿这条线分布。由于7个硬度坑在一条线上且相距不远，最后形成应力集中，导致发生疲劳开裂。

【案例】 某产品被动轴断裂为四段，该轴动力输入端花键部分发生严重扭曲变形，安装轴承处的外表面挤伤。

案例分析：该被动轴在正常运转过程中，首先在油孔和轴相交处产生应力集中，由此产生微裂纹。在周期载荷作用下裂纹逐渐变大，达到一定尺寸后裂纹开始沿垂直于最大正应力的方向扩展，形成疲劳裂纹源，并逐渐扩展。由于后续的超载或破碎轴承的嵌入和挤压作用而导致正常运转的被动轴骤然停转，使裂纹突然失稳扩展、断裂。

降低应力集中的措施

应力集中现象是普遍存在的，它对失效的影响很大，应当加强技术监督，严格检查，消除一些不必要的应力集中因素(如加工缺陷)。同时，要采取一定的技术措施，在设计和加工中尽量减小应力集中程度。

从强化材料方面降低应力集中的影响

采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度，从而减少应力集中的危害。

(1)表面热处理强化

表面热处理强化包括表面感应淬火、渗碳、渗氮和复合处理等，可得到软(高韧性)的心部、硬的表层，在表层还存在残余压应力，由此降低应力集中的影响。

(2)薄壳淬火

直径大且有截面变化的短轴类零件，如选用低淬透性钢，经强烈淬火后可形成薄的表面淬硬层，其内存在残余压应力，可降低应力集中的影响。薄壳淬火与表面感应溶火相比有其较为有利的一面，即对于类似的零件，感应率火容易使截面变化的过渡区(如轴肩)无法淬火而存在残余拉应力，反而加大了应力集中的有害作用。

(3)喷丸强化

使金属表层强化且产生大的残余压应力，从而降低应力集中的危害。高强度材料表面粗糙度值大或有缺陷时，喷丸处理对降低应力集中的影响更明显。应力喷丸处理比一般喷丸处理效果更好。

(4)滚压强化

使零件表面形变强化并产生残余压应力，从而降低应力集中的有害作用。其效果与滚压参数及材料本身的组织性能有关。

从设计方面降低应力集中系数

(1)变截面部位的过渡应尽可能地加大过渡部分的圆角，使过渡区接近于流线形，同时也要考虑到工艺性。可以改变过渡方式，采用椭圆过渡比圆弧过渡更好，或者采用其他过渡方式。

(2)根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位孔一般应开在低应力区，如果必须开在高应力区，则应采取补强措施。椭圆形的长轴应与主应力方向平行，以降低应力集中系数。

(3)在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔这样可使应力的流线平缓，从而降低最大应力峰值。例如，图a所示的应力集中系数为3，而图b所示的应力集中系数为2.63。

同样，在应力集中区附近的低应力部位，加开卸载槽(图)，也可改善应力集中情况。

加开卸载槽对应力集中的影响

大量的失效分析表明，加工中的刀痕、焊接时的缺陷、危险截面部位的非金属夹杂物、圆弧过渡的不光滑等，往往成为零件失效的直接促发因素，故在进行失效分析时对应力集中问题不可忽视。

理论科普静力学结构基础

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首次发布时间：2021-03-02

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