应力集中在生活中的应用和避免

王玺

【摘要】：应力集中影响材料及构件性能的主要因素之一，在生活和制造业中有广泛的应用和研究。文章就应力集中的概念描述，程度描述，影响因素，及其在生活中的应用与避免做了阐述。

【关键词】：应力 应力集中 应力集中系数 影响因素 应用与避免

一、应力和应力集中：

应力：物体由于外因（受力、濕度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，单位面积上的内力称为应力。应力是矢量，沿截面反向的分量称为正应力，沿切向的分量称为剪应力或切应力。

应力集中：因物体外形突然变化而引起的局部应力急剧增大的现象。

二、应力集中程度描述：

应力集中系数K=σmax/σ净截面上的平均应力

应力集中系数反映物体在静载荷作用下应力集中的程度，它只是一个应力比值，与材料无关，而与材料表面形状有关。把棱角改为过度圆角，适当增大过渡圆弧的半径，可以避免或减少应力集中。

三、影响因素：

截面尺寸改变越剧烈，应力集中系数越大。因此，日常用品上应尽量避免带尖角的孔或槽，在每个部件之间要用圆弧过渡。应力集中不仅与物体直接受到的外力有关，也与外界应用环境也存在不可忽略的关系（如温度因素），在温度变化较快的季度时，有些玻璃会自行破裂，就是因为热胀冷缩导致应力集中。

四、应用：

车窗钢化琉璃被石子打出一个小裂纹，如果不管它就会越裂越大。如果把裂开处打一个圆孔，这个圆孔降低了应力集中系数，可以有效地防止裂纹变大。

相反，如果我们需要打碎琉璃，比如从汽车中逃生。就可以用尖锐的物体敲打它，使用该部门产成变锐的截面，产生应力集中。

五、如何避免：

1.避免尖角：即把棱角改为过度圆角，适当增大过渡圆弧的半径，效果更好;

2.改善零件外形;曲率半径逐步变化的外形有利于降低应力集中系数，比较理想的办法是，采用流线型型线或双曲率型线;

3.孔边局部加强：在孔边采用加强环或作局部加厚均可使应力集中系数下降，下降程度与孔的形状和大小、加强环的形状和大小以及载荷形式有关;

4.适当选择开孔位置和方向：开孔的位置应尽量避开高应力区，并应避免因孔间相互影响而造成应力集中系数增高，对于椭圆孔，应使其长轴平行于外力的方向，这样可降低峰值应力;

总结：

应力集中现象在生活中有利也有弊，为实现应力集中的利用与避免。通过相应实验及计算选择合适的材料，为避免应力集中造成构件破坏，可采取消除尖角、改善构件外形、局部加强孔边以及提高材料表面光洁度等措施，为增大集中应力，可采对材料外形及加工方式加工部位进行合理地机械设计。

【参考文献】

【1】《材料力学1》 作者：鸿洪文 出版社：高等教育出版社

【2】《应力集中》[M]. 机械工业出版社 ， （日）西田正孝著， 1986

【3】《应力集中的“善”与“恶”------漫谈应力集中的利用和防治》 作者：张义同、谢宇新（天津大学，力学系）