应力集中-定义

每当机器部件改变其截面形状时，应力分布模式就不再保持良好，并且不连续点的邻域也不同。邻近区域的应力远大于构件其他部分的应力。这种截面上的突变或不连续形式称为应力集中。

它发生在所有类型的应力存在的角，缺口，孔，键槽，花键，表面粗糙度，划痕等

它适用于由于键槽、槽、缺口、粗糙度或划痕引起的各种应力。

如图所示，考虑具有不同截面的构件在受拉荷载作用下的情况。它表明，名义应力在左右两侧将是均匀的，但在截面变化的区域，内力线的重新分布必须发生。靠近边缘的材料的应力要比平均值高得多。最大应力发生在圆角上的同一点，并在该点平行于边界。

应力集中的原因

1.材料性能的变化:

• 在机械部件的设计中，假定材料在整个部件中都是均匀的
• 在实践中，由于以下因素，从一端到另一端的材料特性的变化：
  (a)内部裂纹和气孔等缺陷;
  (b)焊缝空洞;
  (c)钢构件上的气孔;和
  （d）非金属或外夹。
• 这些变化充当组件中的不连续性并导致应力集中。

2.加载应用程序:

• 机器部件要受力的作用。
• 这些力要么作用在一点上，要么作用在部件的一小块区域上。
• 由于面积小，这些点的压力过大。这就导致了应力集中。

这些加载应用程序的示例如下:

(a)主动齿轮与从动齿轮啮合齿间的接触
(b)凸轮与从动件的接触
(c)滚珠与滚珠轴承滑圈之间的接触
(d)钢轨与车轮的接触
(e)吊钩与链条的接触

• 在所有这些情况下，集中荷载作用于一个非常小的区域，从而导致应力集中。

3.断面突变:

• 为了将齿轮，链轮，滑轮和滚珠轴承安装在传动轴上，在轴上切割步骤，并且肩部被从组装考虑中提供。
• 虽然这些特征是必不可少的，但它们产生了轴的横截面的变化。
• 这导致了这些截面上的应力集中。

4.组件中的不连续性:

• 机械部件的某些特征，如油孔或油槽、键槽和花键以及螺纹，导致部件的横断面不连续性。
• 在这些不连续区域存在应力集中。

5.加工划痕:

• 机加工划痕、印痕或检验痕迹是表面不规则的，会引起应力集中。

减少应力集中的方法

1.额外的缺口和孔在拉紧成员

• 带有v形缺口的平板受拉力如图(A)所示。
• 可以观察到，单个缺口会导致高度的应力集中。
• 通过三种方法来降低应力集中的严重程度:(a)使用多切口，(b)钻孔;(c)去除不需要的材料。

• 这些方法分别如图(b)、(c)和(d)所示。
• 在这三种方法中，减少了力流线的急剧弯曲，使其遵循一条平滑的曲线。

2.弯曲构件的圆角半径、下切和缺口:

• 图(A)所示为受弯矩作用的带肩圆形截面杆。
• 滚珠轴承，齿轮或滑轮坐在这个肩膀上。
• 肩部产生轴的横截面的变化，这导致应力集中。
• 有三种方法可以减少这个肩膀底部的应力集中。

• 图。（b）显示圆形半径R的肩部。这导致从小直径到大直径的逐渐过渡。
• 圆角半径应尽可能大，以减少应力集中。
• 在实际应用中，圆角半径受配合零件设计的限制。
• 如图(c)所示，圆角半径可以通过削肩来增加。
• 缺口导致应力集中。
• 切割额外的缺口是减少应力浓度的有效方法。这示出了（d）。

3.为轴钻孔:

• 带有键槽的传动轴如图(A)所示。
• 键槽是一个不连续的，导致键槽转角应力集中，降低扭剪强度。
• 除了在键槽内角处给出圆角半径外(如图(c)所示)，还有一种方法是在键槽侧面钻两个对称孔。

• 这些孔压力流线和最大限度地减少其弯曲在键槽附近。这种方法如图(b)所示。

4.减少螺纹构件的应力集中:

• 一个线程组件如图(A)所示。
• 观察到力流线弯曲，当它从柄部转移到部件的螺纹部分时。这导致过渡平面中的应力浓度。
• 在图(b)中，一个小的凹口被采取之间的杆和螺纹部分的部件和圆角半径为这个凹口提供。

• 这减少了力流线的弯曲，从而减少了应力集中。
• 减少应力集中的理想方法如图(c)所示，其中杆的直径减少，使其等于螺纹的芯径。
• 在这种情况下，力流线几乎是直的，没有应力集中

5.介绍了减小带肩孔圆柱构件受拉载荷时应力集中的方法。

理论应力集中因子

• 为了考虑应力集中的影响，求出局部应力，采用了理论应力集中系数。
• 用Kt表示，定义为，

Kt=不连续点附近实际应力的最大值/由初等方程得到的名义应力。

静态和循环加载下应力集中对材料的影响。

• 在静态加载,韧性材料中的应力浓度与脆性材料不那么严重，因为在韧性材料中，局部变形或屈服会降低其浓度。在脆性材料中，裂缝可能出现在这些局部集中的应力，这将增加应力的其余部分。
  因此，在设计脆性材料部件时，如铸件，必须小心。为了避免应力集中造成的破坏，必须在截面变化处设置圆角。
• 在循环载荷，由于材料的延性不能有效缓解由于裂纹、缺陷、表面粗糙度或构件几何形状上的任何尖锐不连续而引起的应力集中，因此延性材料中的应力集中总是很严重。如果构件中任何一点的应力超过材料的耐久性极限，在反复荷载作用下可能会产生裂纹，从而导致构件失效。

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