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1、应力集中是指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。当材料受力时材料表面及内部缺陷处的应力远大于平均应力的现象称为应力集中现象，简称应力集中。通过提高冶金质量、加工质量可有效减小应力集中。 脆性材料在外力作用下（如拉伸、 冲击等）仅产生很小的变形即破坏断裂的性质。对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。 对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。铸铁（牌号一般为以Q、HT等开头
2、的材料）,与非金属材料都是脆性材料，碳钢（如45、20等）、铬钢、硅合金钢还有其他一些硬度较小而韧性较好的合金钢为塑性材料延伸率是衡量材料塑性性能的指标。工程上通常把5的材料称为塑性材料，如钢、铜、铝合金等；把5的材料称为脆性材料，如铸铁、陶瓷、石材等。低碳钢是典型的塑性材料，其延伸率为2030。铸铁是典型的脆性材料，其延伸率1。 由低碳钢等塑性材料制成的构件，当应力达到屈服极限s时，会因显著的塑性变形而使构件原有形状和尺寸发生改变，不再能够正常工作。由铸铁等脆性材料制成的构件，会因应力达到强度极限b而发生断裂，尽管断裂之前变形还很小。构件失去正常工作能力或发生断裂破坏时的应力，称为极限应力。
3、 塑性材料在断裂前已发生显著的塑性变形，故塑性材料的极限应力应是屈服极限s，而脆性材料直至断裂时也无显著的变形，故脆性材料的极限应力就是强度极限b。塑性材料和脆性材料在力学性能上的主要差异是： 塑性材料在断裂前的变形较大，塑性指标（断面收缩率和伸长率）较高，抵抗拉断的能力较好，其常用的强度指标是屈服极限，而且一般地说，在拉伸和压缩时的屈服极限值相同。 脆性材料在断裂前变形较小，塑性指标较低，其强度指标是强度极限，而其抗拉强度远低于抗压强度。但是材料是塑性的还是脆性的，并非一成不变，它将随材料所处的温度、应变率和应力状态等条件的变化而不同。 减少应力集中的办法是尽量使构建的外形圆滑过渡，例如使用
4、倒圆，倒角等，可明显降低局部应力集中。 材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就可能发生。另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中。对于组织均匀的脆性材料，应力集中将大大降低构件的强度，这在构件的设计时应特别注意。承受轴向拉伸、压缩的构件，只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又 无急剧变化的区域内，横截面上的应力才是均匀分布的。然而工程中由于实际需要，某些零件常有切口、切槽、螺纹等，因而使杆件上的横截面尺寸发生突然改变，这时，横截面上的应力不再均匀分布，这已为理论和试验所证实。请注意“应力集中”应力集中在工程上
5、造成很多破坏，飞机掉下来、建筑跨下来，工程师最怕机械零件应力集中处。那么，什么是“应力集中”呢？应力集中就是由于机械某零部件设计的形状不好，结构不合理等诸多原因造成机械零件的低应力破坏。老百姓说材料还是不错的，但轻轻一碰就坏了。 例一：玻璃上有一小裂纹，裂纹的终端就是应力集中处。大家都知道这块玻璃不行了，轻轻一碰就会坏的。但在厂里工程师有办法，只要这零件（当然不是讲玻璃）强度还可以，我们在裂纹终端钻一个二毫米小孔，形状像小蝌蚪一样，应力集中就消失了。有时这零件更换原因还不是因为这个裂纹。 例二：钳工用的钢尺是L型的，检查机械垂直度。由于内直角处应力集中，容易产生裂纹，产生裂纹后一是容易折断，二
6、是直角不直了。我们同样在内直角处打一小孔，把一点的应力集中，分散到小园周上。大家知道点是没有长度的，而小园周长是有长度的，扩大了多少倍呢？打一小孔，去掉一点材料还好些。 例三：建筑物柱上的梁，从柱旁梁底斜向中间45度这个面受到拉应力集中，水泥是不抗拉的。我们就把梁下部水平钢筋弯起，和这个面垂直来承受拉应力。合理利用材料。 例四：“磨刀不误砍柴时”是讲时间，其实磨刀也是为了消除刃口上的裂纹和崩口-应力集中。钝刀和没有精磨过的刀工作时加工质量不好，磨损也较快。理发师在刮胡子前在皮上荡刀也是这个意思，这样还可以加长刀具寿命。 例五：带锯条最早是斜面、斜口银焊，焊接质量不错。考虑到银是金钱，改用氧焊、
7、甚至于对焊。由于锯钢是冷压钢，焊接形成铸钢性质。再加上温度、焊渣堆集等因素造成应力集中。如同某松鼠说可回火处理，消除部分应力集中。在氧焊中我们还锤打，模拟冷压钢材。工程师首先要用经验发现应力集中处，然后才能用仪器检查之！抛砖引玉，见笑！玻璃上没有裂纹也会有应力的，可以退火处理。不同的形状和体积退火T-t曲线不同，退火前后都可以通过光学测量看到应力分布。N次退火后可以完全消失（一个范围内）正常使用。从钢索断裂到“轻功”骗人-漫谈“应力集中”来源：知识就是力量2009.9 2009-11-23 10:04:00【文章字体：大 中 小】文：陈仁政 图：郑勇 “有一身轻功，长期只身徒手翻到18层以上高
8、楼入室盗窃”这是重庆某报在2009年3月5日的一篇报道中用的话。那么，真有所谓“轻功”吗? 巧断绳子的奥秘。手头没有工具，怎样徒手把不易拉断的绳子拉断呢?这是一个“难题”。 把绳子的一端在左手的食指上绕几圈，然后在手掌上穿一个花结，如图1、再在离左手大约半米的地方，把绳子的另一端在右手上绕四五圈并攥紧。最后，两手分别握拳并凑在一起，接着右拳迅速往右下、左拳迅速往左上奋力一挣，绳子就在花结处被挣断了。 那么，牢固的绳子怎么就这样“不堪一挣”呢?原来，是两手把全部力量集中到了绳子的花结处，绳子在这里的相互作用力很大，就像被小刀切割那样而断裂。所以，奥秘在于“应力集中”分散的力集中到某一处的现象。一
9、张没有裂口的报纸不易破裂，但在边缘轻轻一撕就很容易破裂，也是类似的现象。应力集中是力学中“断裂力学”研究的内容。 不可忽视的应力集中。2008年5月2日和6月6日，重庆一个小区内两户居民家的钢化玻璃幕墙先后爆裂这类钢化玻璃爆裂事件还时常发生在公共场所。2007年9月，重庆主城区一座大商场的钢化玻璃门突然“粉身碎骨”。2007年底，上海姑娘王特地赶回重庆，要在2008年1月9日和重庆小伙张完婚。元旦这天，她在重庆的一家酒店淋浴。突然，随着浴室内玻璃的一声巨响，她全身11处被扎伤，不得不取消婚礼。这些玻璃并没有受到猛烈撞击，怎么就突然“弱不禁风”而轰然碎裂呢?原来，这是物体内部应力集中引起破坏的结
10、果。 物体内部应力集中引起的事故，远不止钢化玻璃爆裂。在第二次世界大战中，德国的一种飞机中的一根金属轴，总是莫名其妙地折断，当时束手无策，后来才查出是物体内部应力集中 金属内部应力集中引起破坏的原因之一，是内部结构包括原子“位错”(图2)在内的各种缺陷一一这往往不可避免。在金属材料的内部，不是均匀、连续且各向同性的多晶体，而是在冶、轧、铸、焊和热处理等工序中，常常引入了包括气体在内的杂质或产生微裂纹。这些潜在的破坏因素在使用过程中进一步扩张，最终因应力集中造成材料严重损坏。进一步的研究还发现了原子空位、填隙原子等缺陷。非金属材料内部类似一一并不表现为理论上的绝对均匀、连续且各向同性。 地壳内部
11、应力集中还可能引起地震。著名的“512”汶川地震，就是印度板块向北推挤，碰到扬子地块阻挡后使青藏高原隆升，造成应力集中引起的：“由于能量和地应力的长期积累最后在边缘龙门山断裂带进行能量释放，从而引起地壳变形断裂和地震。” 上面这类物体内部应力集中引起的破坏，没有或基本上没有热胀冷缩不均匀的外因。 在现实生活中，还有另一种内部应力集中引起的破坏因热胀冷缩不均匀。质量不好的普通保温瓶内胆(由两层玻璃制成，夹层内的空气被抽空)或普通玻璃杯在冬天冲入烫开水时，也可能炸裂。把一杯烫开水放在一块普通薄玻璃上，有时玻璃也会炸裂。用烫熟的高温植物油烫辣椒，盛辣椒的杯子(即使是陶瓷材料)也可能炸裂。这类物体内部
12、应力集中引起的破坏，除了材料的内因以外，还有外因物体热胀冷缩不均匀使该处材料相对错动而断裂。 以上是第一类应力集中内部应力集中。 第二类应力集中引起的破坏是因为外力。刚买来一双新鞋，没有穿几天，鞋面与鞋底板的连接处就断裂了(图3)这种情形，在塑料凉鞋(图4)或塑料拖鞋中特别常见。一般玻璃有一条小裂缝，如果不立即采取措施，很快就会彻底破裂。(图5)平时怎么也拉不断的不干胶纸带，只要有一个小裂口，轻轻一拉就沿着裂口断了。 2()08年12月8日，重庆市渝中区石油路一个小区8号楼顶层(28楼)的魏，从邻居家借来一根闭路电视线当“安全带”，准备从楼顶悬吊进家中取出忘带的钥匙，结果因“安全带”断裂摔下。
13、幸好摔在24楼室外的一根水泥电杆上，受伤后才大难不死。这根“安全带”断裂的原因，不是它的老化，而是它与楼顶的棱角摩擦导致磨损，使磨伤处应力集中。 如何对付应力集中。对付应力集中分“使用”和“生产”两个方面，共11招。 使用者的第一招是“躲避防患法”。有“伤口”(即使很小)的单股绳不要使用。远离已有小裂缝的玻璃、陶瓷制品等，以防它们”突然崩溃”溅出碎片伤人。在刮大风的时候，不要站在大的玻璃窗下。不要购买那些某处曲率大的产品例如像图3和图4那样的鞋。不要把滚烫的容器直接放在膨胀系数较大、传热慢的冷玻璃板和人造石材板等硬脆物体上。 第二招是“分散应力法”。贵重而有纪念意义的玻璃有小裂缝，舍不得丢，能
14、止住裂缝继续变长吗?能在裂缝的末尾打一个适当大小的圆孔(图6，为了说明应力被分散，圆孔已被放大，画在右边)。有经验的修补车胎的师傅，会把车胎裂口的两端剪成圆形后再修补(图7)。如果要修补有裂缝的塑料板等也应这样做。 第三招是“逐渐变温法”。冬天把烫开水冲入普通玻璃保温瓶时，应逐渐升温先把温度较低的温、热水倒进去预热，倒出之后，再用温度较高的温热水倒入进一步预热，倒出之后才冲入烫开水。相反，在夏天把诸如棒冰等低温物体放进普通玻璃保温桶时，应逐渐降温。 第四招是“减小曲率法”。例如，大致沿着图8的虚线打磨、锉削构件表面凹洞附近的材料，让表面相对平整光滑，以减小曲率较大的凹洞底部的曲率。也可用强力胶
15、黏合填平凹洞。对金属制品，还可用油漆等填补凹洞处，使凹洞不再扩大。为了让贵重而又舍不得丢的物品能继续使用，这种方法很有实效。 第五招是“关怀备至法”。钢索等金属绳索，易化学锈蚀或电化锈蚀。常用涂抹半固体状的黄油(润滑脂的俗名)或凡士林作防锈剂加以密封，以免金属绳索的“皮肤”受损，还可减小摩擦力。 生产者的第一招是“安全系数法”。由于材料内部或表面难免有缺陷，只要震动或温度变化产生极其微小的过负载，就会断裂而使整个结构破坏。因此，要在生产构件时取适当大的安全系数依材料和工作条件而定。 第二招是“探伤检测法”。对于要求很高的构件，应用超声波、X光、CT等现代化的方法检测构件的缺陷，以便剔除劣质品。 第三招是“消除内部应力法”。生产钢化玻璃，在“淬火”即“钢化”处理(将普通玻璃加热到软化点，然后急剧风冷)之后要进行“回火”即“老化”处理(把已经淬火的玻璃，置于较高但低于玻璃软化点温度的空气中)，以消除淬火时的内部应力集中。如果老化处理不当，就埋下了应力集中的“定时炸弹”，这就对设备、工艺和操作有较高的要求。附带说明，随着物质生活水平的提高，
