应力集中

应力集中

随着工业的发展，发动机的功率越来越大，机器运转越来越快，机械零件的受力越来越复杂，而破坏事故也越来越多。为了提高机械零件强度以防止事故的发生，近年来采用金属材料的后起之秀——钛合金。钛合金比钢轻一半而强度又超过钢，确实是理想的金属材料，但是，事故并没有由于采用钛合金而减少。

事故根源在哪里?科学家、工程师从事故后的调查中得到了答案——应力集中。

应力，简单的说是单位面积上所承受的力，它是物体受力的一种性质指标。一般设计合理的机械零件，内部应力分布是合理的，也就是说应力分布均匀，当承受过量的荷载，内部应力普遍到达极限值才发生机械零件的破坏。设计不合理时，则会使内部应力分布不合理，也就是说应力分布不均匀，出现局部点应力特别大。有时虽然机械零件承受荷载不大，但由于局部点应力过大导致这一点破坏，并影响到相邻点，使相邻点也破坏，这样连锁反应使整个机械零件破坏，整个结构破坏。由于个别点应力特别大，好像应力都集中到这一点上来了，因而称为“应力集中”。

研究与了解应力集中的形式、特点，对防止事故的发生、合理发挥材料性能是有好处的。

你坐过轮船和飞机吗?它们的窗子为什么都是圆形的?这是为了避免应力集中。虽然开圆窗也会带来应力集中，但是开方窗在窗的四角应力集中相当严重，越是小角度截面处应力集中越是严重。圆窗相对于方窗，截面渐变而缓和了突变。采用圆窗同样也会有应力集中，因此在圆窗外围又加固了一圈加固环。

你敲过锣吗?锣声震撼人心，但是，摔坏的锣声很不悦耳。锣往往因为种种原因而出现裂缝，一经出现裂缝，越敲裂缝越扩展。这是由于裂缝顶点是截面突变的角度最小处，敲锣使裂缝顶点产生很大的应力集中。为了防止裂缝扩展，在裂缝顶点钻一个小圆眼，这样使尖端截面突变有了缓和，锣声又变得洪亮了。你用过绘图三角板吗?大号三角板中间空心三角形的三个顶点，都是以小圆孔过渡以防止过分应力集中的出现。(https://www.daowen.com)

为了防止应力集中，或者为了减少应力集中，措施是很多的:如阶梯形的轴在阶梯截面突变处用圆角过渡;方槽的四个角也用圆角过渡;在零件表面，采用喷丸强化工艺、液压强化工艺、气相沉积工艺等，有时还采用表面高频电流淬火及镀铬、镀铝、镀铜等，根据不同要求采用不同等级的光洁度;去掉零件表面凸凹不平、毛刺、刀痕;用探伤器检查零件内部空洞、杂质;把住安装关，尤其是压入配合时，注意机械零件的局部损伤，严格遵守操作制度等。

在大自然中，没有一条直线，没有一个平面，没有一个有棱有角的物体，到处是曲线、曲面、光滑而柔和的“体”，使应力集中现象降到最小，有时出现了应力集中，也会以最好的方法进行弥补。我们常看见木板上的木节，在木节的四周布满着深色而强度高的木质，那是由于树木受伤产生了应力集中，树木自动地增强抵抗应力集中的措施。

世界各地年年都有地震发生，地震是地球某处应力集中积聚到一定程度的结果，也就是说，应力集中导致了地球部分地区破裂而产生了地震。根据这个原理，在地球各处布满了地球应力观察站，一旦发现应力异常，而且变化速度又快，就可能要发生地震，从而正确预报地震而减少损失。

事物总是一分为二的，应力集中带来了害处，但掌握了它的规律，也可以变害为利:石工开采石料，利用石料裂缝、节理，然后合理布置炮眼，在应力集中处下手不是可以事半功倍吗?建筑工人用金刚石刀划玻璃，由于玻璃是脆性材料，对应力集中特别敏感，只要用玻璃刀一划，它就会沿着划痕而破裂。雕塑工人做雕塑、瓷器工人制作瓷器……无不利用了“应力集中”。

随着材料科学的发展，一门新的学科——断裂力学已经形成。它是研究受力物体裂纹运动的规律，研究应力、裂缝、物体几何条件三者之间的关系的科学。一场围剿事故“隐患”的战斗正在胜利地进展中。