應力集中和疲勞強度

一、應力集中的產生

一般認為零件在許用應力下工作不會發生塑性變形，更不會發生斷裂，然而事實並非如此，工程中曾多次出現過在應力低於許用應力情況下，發生突然斷裂的事故。

試驗研究表明，由於金屬材料內部不可避免地存在著各種宏觀缺陷，這些缺陷在材料中的作用相當於裂紋，當材料受到外力作用時，這些裂紋的尖端附近出現應力集中，如下圖1-11所示。由於應力線的特點是不能在試樣內部中斷，因而被迫繞過裂紋尖端上下相連，使裂紋尖端處的應力線增多，產生應力集中，使局部應力大大超過材料的允許應力值，使得裂紋失穩擴展，直到最終斷裂。

圖1-11 無裂紋和有裂紋試樣的應力線:

二、斷裂韌度

斷裂韌度就是用來反映材料抵抗裂紋失穩擴張能力的性能指標。通常用臨界應力強度因子KIc表示

KIc=Yσc√a 式中Y--常數，與試樣材料、裂紋形狀及加載方式有關；a--裂紋長度；σc--斷裂應力。

斷裂韌度是材料本身的一種力學性能指標，同其他力學性能一樣，主要取決於材料的成分、組織結構及各種缺陷，並與生產工藝過程有關。因此，適當調整成分，通過合理冶煉、加工和熱處理以獲得最佳的組織，就能大幅度提高材料的斷裂韌度，從而也就提高了含裂紋構件的承載能力。

三、疲勞強度

許多機械零件如曲軸、齒輪、軸承、葉片和彈簧等，都是在交變載荷作用下工作的，這種載荷的大小、作用方向隨時間作週期性或無規則的變化，在金屬材料內部引起的應力也具有反覆性和波動性。這種隨時間作週期性變化的應力稱為交變應力。在交變載荷下，零件受的應力雖然低於其屈服點，但經過長時間的工作會產生裂紋或突然斷裂，這種現象稱為材料的疲勞。金屬抵抗這種疲勞破壞的能力稱為疲勞強度。疲勞破壞是機械零件失效的一種主要形式，據統計，在機械零件失效中，大約有80%以上是屬於疲勞破壞的。而且疲勞破壞事前並無明顯徵兆，往往表現為突然破壞，所以危害極大。

疲勞強度是在疲勞試驗機上測定的。曲線表明，金屬承受的交變應力σ 愈低，則斷裂前應力循環次數愈大。當應力低於一定值時，疲勞曲線變成與橫座標平行的直線。這一現象表明當應力低於此值時，試樣可經受無限次週期循環而不破壞，此應力值稱為材料的疲勞強度，用σb表示。對於對稱循環應力（如下圖1-13）的疲勞強度用σ-1表示。

機械零件之所以產生疲勞破壞，是由於材料表面或內部有缺陷（如夾雜、劃痕、尖角等）。這些地方的局部應力大於屈服點，從而產生局部塑性變形而開裂。這些微裂隨應力循環次數的增加而逐漸擴展，使承載的截面積大大減小，以致不能承受加載而突然破壞。

常說粗糙度和構件的疲勞強度有密切的聯繫，實際上說得確切說是微觀表面波谷的曲率對疲勞強度有更大更直接的影響。越尖銳應力集中也就越大。

為了提高零件的疲勞強度，除通過合理選材，細化晶粒、減少材料和零件的缺陷，改善零件的結構設計，避免應力集中，減小零件表面粗糙度等方法外，還可以採取表面強化的方法，如為提高零件的表面質量，可以採用豪克能技術進行強化加工，有削峰填谷的作用，改善工件表面質量，預支殘餘壓應力，極大降低應力集中，提高疲勞強度。

代替傳統滾壓加工機車軸消除應力集中