应力集中的学习报告
姓名：牛彦飞 班级：材料1003 学号：1012012080 序号：38
一、应力集中的概念及介绍
应力集中是指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象
详细介绍
弹性力学中的一类问题，应力在固体局部区域内显著增高的现象。多出现于尖角、孔洞、缺口、沟槽以及有刚性约束处及其邻域。应力集中会引起脆性材料断裂；使物体产生疲劳裂纹。在应力集中区域，应力的最大值（峰值应力）与物体的几何形状和加载方式等因素有关。局部增高的应力值随峰值应力点的间距的增加而迅速衰减。由于峰值应力往往超过屈服极限而造成应力的重新分配，所以，实际的峰值应力常低于按弹性力学计算出的理论峰值应力。反映局部应力增高程度的参数称为应力集中系数k，它是峰值应力与不考虑应力集中时的应力的比值，恒大于1且与载荷大小无关。在无限大平板的单向拉伸情况下，其中圆孔边缘的k＝3；在弯曲情况下，对于不同的圆孔半径与板厚比值，k＝1.8～3.0；在扭转情况下，k＝1.6～4.0。
在工程结构的凹角、缺口、沟槽、孔洞附近均会发生应力集中，其中孔洞附近的应力局部增高称为孔边应力集中。在水利工程中，大坝的坝踵附近以及坝内廊道附近的应力局部增高是应力集中的典型实例。
孔边应力集中的特点是：①集中性，即在孔洞附近的应力远大于无孔时的应力；②局部性，即在离孔边较远之处（例如几倍孔径之外），应力几乎不受孔的影响，其分布情况与数值大小都几乎与无孔时相同；③在弹性范围内，应力集中程度仅与孔的形状以及受力状态有关，而与荷载的大小无关。一般说来，圆孔的孔边应力集中程度最低，图示为两种受力状态下圆孔附近的弹性应力分布情况。在凹角、缺口、沟槽等其他形状突变处的应力集中现象具有与孔边应力集中一样的特点。
反映应力集中程度的参数是应力集中系数，它是峰值应力和不考虑应力集中时的应力的比值。图示两种情况的应力集中系数分别为 2与 3。由于峰值应力往往超过材料的屈服极限或强度极限从而造成应力的重新分布，所以实际的峰值应力常低于按弹性力学计算得到的数值。
二、对构件强度的影响
对于由脆性材料制成的构件，应力集中现象将一直保持到最大局部应力到达强度极限之前。因此，在设计脆性材料构件时，应考虑应力集中的影响。
对于由塑性材料制成的构件，应力集中对其在静载荷作用下的强度则几乎无影响。所以，在研究塑性材料构件的静强度问题时，通常不考虑应力集中的影响。
三、材料对应力集中的影响
在静荷作用下，各种材料对应力集中的敏感程度是不相同的。像低碳钢那样的塑性材料具有屈服阶段，当孔边附近的最大应力 达到屈服极限时，该处材料首先屈服，应力暂时不再增大。如外力继续增加，增加的应力就由截面上尚未屈服的材料所承担，使截面上其它点的应力相继增大到屈服极限，该截面上的应力逐渐趋于平均，如图 2-32 所示。因此，用塑性材料制作的零件，在静荷作用下可以不考虑应力集中的影响。而对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在屈服，当孔边最大应力的值达到材料的强度极限时，该处首先断裂。因此用脆性材料制作的零件，应力集中将大大降低构件的强度，其危害是严重的。这样，即使在静载荷作用下一般也应考虑应力集中对材料承载能力的影响。然而，对于组织不均匀的脆性材料，如铸铁，其内部组织的不均匀性和缺陷，往往是产生应力集中的主要因素，而截面形状改变引起的应力集中就可能成为次要的了，它对构件承载能力不一定会造成明显的影响。
四、计算应力集中问题的方法
应力集中问题是弹性力学的重要内容之一。对于圆孔与椭圆孔，已获得应力分布的解析解；对于其他形状的平面孔洞，可用复变函数方法获得应力解答；对各种应力集中问题均可用有限元法、边界元法等数值方法及光测法、电测法等试验方法获得应力分布，其中光测法能直接观察到应力集中现象，得到较多的应用。
五、应力集中的利与弊
生活中我们常常会利用到应力集中，它会为我们带来方便。
我们每人都有喝易拉罐饮料的经历，用手拉住罐顶的小拉片，稍一用力，随着“砰”的一声，易拉罐便被打开了，这便是“应力集中”在帮忙。注意一下易拉罐顶部，可以看到拉片周围，有一小圈细长卵形的刻痕，正是这一圈刻痕，使得我们在打开易拉罐时，轻轻一拉便在刻痕处产生了很大的应力（应力集中）。
布店的售货员，在扯布前，要先剪一个小口子，也是为了在扯布时造成应力集中
现在许多食品都用塑料袋包装，在这些塑料袋上离封口不远处的边上，常会看到一个三角形的缺口或一条很短的切缝，在这些缺口和切缝处撕塑料袋时，在缺口和切缝的根部会由于应力集中产生很大的应力，因此稍一用力就可以把塑料袋沿缺口和切缝撕开。
应力集中在更多的情况下是起消极作用的，在各类工程中，它往往是结构和构件的罪恶之源，应力集中的地方很容易产生应力腐蚀（当然是指管内介质为有腐蚀的介质）。在锅炉装置中，管道应力集中区会出现管道局部过热，磨损加剧，严重时会引起管道爆管，影响正常生产。
在管道施工过程中，管件（弯头、三通、鞍座和半拷贝伦）的焊接位置、管道碰口时的固定焊口、支管直接开孔的位置、固定支架的位置、管道几何结构不连续和不规则的地方、焊缝附近等这些地方均是应力比较集中的地方。
六、避免应力集中的措施
为了避免材料或构件因应力集中而造成的破坏，工程上主要采取以下一些措施：①表面强化：对材料表面作喷丸、滚压、氮化等处理，可以提高材料表面的疲劳强度；②避免尖角：即把棱角改为过渡圆角，适当增大过渡圆弧的半径，效果更好；③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,后者更便于在工程上应用；④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；⑤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；⑥提高低应力区应力：减小零件在低应力区的厚度，或在低应力区增开缺口或圆孔，使应力由低应力区向高应力区的过渡趋于平缓；⑦利用残余应力：在峰值应力超过屈服极限后卸载，就会产生残余应力，合理地利用残余应力也可降低应力集中系数。
