应力集中和疲劳强度如何处理

一、应力集中的产生一般认为零件在许用应力下工作不会发生塑性变形，更不会发生断裂，然而事实并非如此，工程中曾多次出现过在应力低于许用应力情况下，发生突然断裂的事故。
试验研究表明，由于金属材料内部不可避免地存在着各种宏观缺点，这些缺点在材料中的作用相当于裂纹，当材料受到外力作用时，这些裂纹的附近出现应力集中，如下图1-11所示。由于应力线的特点是不能在试样内部中断，因而被迫绕过裂纹上下相连，使裂纹处的应力线增多，产生应力集中，使局部应力大大超过材料的允许应力值，使得裂纹失稳扩展，直到终断裂。

图1-11 无裂纹和有裂纹试样的应力线；
二、断裂韧度断裂韧度就是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标。通常用临界应力强度因子KIc表示。
KIc=Yσc√a 式中Y--常数，与试样材料、裂纹形状及加载方式有关；a--裂纹长度；σc--断裂应力。
断裂韧度是材料本身的一种力学性能指标，同其他力学性能一样，主要取决于材料的成分、组织结构及各种缺点，并与生产工艺过程有关。因此，适当调整成分，通过合理冶炼、加工和热处理以获得佳的组织，就能大幅度提高材料的断裂韧度，从而也就提高了含裂纹构件的承载能力。三、疲劳强度许多机械零件如曲轴、齿轮、轴承、叶片和弹簧等，都是在交变载荷作用下工作的，这种载荷的大小、作用方向随时间作周期性或无规则的变化，在金属材料内部引起的应力也具有反复性和波动性。这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力。在交变载荷下，零件受的应力虽然低于其屈服点，但经过长时间的工作会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为材料的疲劳。金属抵抗这种疲劳破坏的能力称为疲劳强度。疲劳破坏是机械零件失效的一种主要形式，据统计，在机械零件失效中，大约有80%以上是属于疲劳破坏的。而且疲劳破坏事前并无明显征兆，往往表现为突然破坏，所以危害极大。
疲劳强度是在疲劳试验机上测定的。曲线表明，金属承受的交变应力σ愈低，则断裂前应力循环次数愈大。当应力低于一定值时，疲劳曲线变成与横坐标平行的直线。这一现象表明当应力低于此值时，试样可经受无限次周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度，用σb表示。对于对称循环应力（如下图1-13）的疲劳强度用σ-1表示。

机械零件之所以产生疲劳破坏，是由于材料表面或内部有缺点（如夹杂、划痕、尖角等）。这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部塑性变形而开裂。这些微裂随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使承载的截面积大大减小，以致不能承受加载而突然破坏。
常说粗糙度和构件的疲劳强度有密切的联系，实际上说得确切说是微观表面波谷的曲率对疲劳强度有更大更直接的影响。越尖锐应力集中也就越大。

为了提高零件的疲劳强度，除通过合理选材，细化晶粒、减少材料和零件的缺点，改善零件的结构设计，避免应力集中，减小零件表面粗糙度等方法外，还可以采取表面强化的方法，如为提高零件的表面质量，可以采用豪克能技术进行强化加工，有削峰填谷的作用，改善工件表面质量，预支残余压应力，极大降低应力集中，提高疲劳强度。