缺口效应和应力集中

缺口效应现象和应力集中原理

缺口效应是指在各种材料铸件中钻孔、切槽、攻丝等加工时，对此部位施加应力，容易引起应力集中，造成破坏的现象。

缺口效应影响的程度，称为缺口敏感度=有缺口时强度/无缺口时强度。缺口敏感度随塑料种类而异，也受温度、缺口形状、荷重速度的影响。

集中应力达到材料的屈服强度时，引起的缺口根部附近区域的塑性变形,即缺口造成应力的集中，这是缺口的diyi个效应。

缺口改变了缺口前方的应力状态，使平板中材料所受的应力由原来的单向拉伸改变为两向或三向拉伸，这是缺口的diyi个效应。

试样的屈服应力比单向拉伸时的要高，即产生了所谓缺口“强化”现象。缺口使塑性材料得到“强化”，这是缺口的第三个效应。

缺口效应案例分析

某铸件在检测中一度出现拉伸试验不合格情况，经调查分析后认为是试样本身产生了应力集中造成的，后改进制样方法，使问题得到了解决。

现象

零件材料为Q T 6 0 0 － 3 ， 技术要求R m ≥600MPa，A≥3%。在前一段时间，试验中多次出现试样断在标距上或标距外（甚至在过渡部分）。

分析

查看这些铸件的化学成分报告，是符合标准要求的。生产现场环境条件和工艺方法也符合技术要求。仔细观察试样的断口，存在一个普遍现象：断面经过“样冲眼”处。样冲眼是确定试样标距时打上去的。

把拉断的试样对接起来可以看到，样冲眼较大、较深，这相当于在光滑试样上有了“缺口”。相关资料显示，缺口的存在改变了试样的受力条件，造成硬性的应力状态，不利于材料的塑性变形，会使材料趋向、甚至处于脆性状态，同时还在试样上缺口的根部引起应力集中。因此可以认为，缺口是造成硬性应力状态和应力集中，以及降低材料韧性的一个脆化因素。

因为在脆性状态下，当平均应力较低时，缺口的Z大应力有可能达到材料的断裂抗力，促进了裂纹的生成和扩张，从而引起早期脆性断裂。缺口使脆性状态下的材料强度降低。

对于塑性好的材料，在拉伸时整体金属能均匀变形，应力集中不明显；而塑性差的材料（如铸铁件），整体变形能力差，应力不能均匀释放而在薄弱截面产生应力集中（如零件的不通孔或台肩处，试样从光滑部分过渡到端部时）。因此，在拉伸试验时会在过渡部分断开。

有研究认为，在弹性范围内，应力集中程度不仅与缺口尖锐度有关，也与缺口深度相关。尖锐度和深度相同的缺口，会在试样内引起更大的应力集中效应。

经过以上分析，找到了缺口断裂的原因：试样打样冲眼处的“缺口”产生了应力集中，导致早期脆性断裂。随后又重新送试件进行拉伸试验，采用划针画线来确定试样标距，试验结果完全符合技术要求，恢复了正常生产。

结论和措施

（1）试样上的缺口效应导致早期脆性断裂。

（2）在加工制作试样时，不打样冲眼，而是涂画标距线。

另外，一定要保证试样表面质量（光滑无纹痕）和尺寸精度，试验时一定要对正ZX。如果试样有了缺口或偏斜，将会改变试样的应力状态，从而影响试验数据的正确性。

在这种情况下A<3%，达不到要求。即使重新热处理后送样试验，仍然在这些位置断开

缺口应力集中解决办法

以上案例说明，在尺寸突变处，如果没有采用圆角过渡，会导致有限元分析中应力无限增大。 实际上，在结构设计中，为了降低应力集中因素，有一些基本的设计法则，简述如下：

1、填充法

在圆孔内插入一根棒，也可以降低圆孔处的应力集中。

2、修改形状

（1）流线型：对于变截面的受拉杆件或受压杆件，如果采用流线型过渡，可以使得构件应力均匀，从 而避免应力集中。

（2）圆角：在构件中禁止出现尖锐转角。因为由理论分析可知，当圆角的曲率半径趋向零时， 其应力集中系数趋向无穷大。用圆角代替尖锐转角，能有效缓和应力集中。下面是工程上应 用圆角的例子。

（3）椭圆孔：在保证构件正常工作的前提下，把圆孔变成椭圆孔，往往能提高构件的强度。

3、表面削去法

如下图，在孔的上下两边挖去一定厚度的材料，会降低这部分的刚度，以达到缓和应力 集中的目的。这些图中，Z后一种情况应力集中系数Z小。

4、适当选择应力集中因素的位置

（1）应力集中因素应该选择在应力低的部位

不要把孔放在弯矩Z大的截面上；不要把孔放在靠近边缘的地方。 

（2）要考虑是否有母体之间发生相互干涉，导致应力上升

随着孔距离边沿越来越近，应力集中会加剧。

5、附加应力集中因素

在左边的结构上进行改进，右边的结构增加了一个孔，其应力集中系数反而降 低。

6、适当选择应力集中因素的方向

如下图，三种长孔的情况，Z底下一种应力集中系数Z大，尽量不要采用这种方式。而 Z上面的情况则应力集中系数Z小。