應力集中

應力集中發生在承受拉力、剪切力或扭轉力的有切口或有凹口的物體上。 它由兩個機制組成：

• 從局部應力集中（應力增加）- 由形狀數 α k {\displaystyle {\mathcal {}}\alpha _{k}} 描述。
• 從支撐效應來看——材料和混凝土的應力集中衰減行為抵消了應力峰值，從而減少了損傷效應（根據 DIN 743 用支撐數表示： n .

應力集中數定義為形式數與支撐數的商： β k = α k n

應力集中通常是不受歡迎的，因為它在技術應用中對組件施加了更大的壓力，因此它們必須建造得更大才能達到預期的使用壽命，否則它們會過早失效。 另一方面，應力集中是有目的地使用的。

• 泄壓缺口：一個額外的槽口可以引導功率流過壓力很大的區域。? 紅色箭頭顯示功率流。出于設計原因需要尖銳的肩部，這與高缺口應力相關。 該組件承受交變載荷，并將在此肩部（紅色圓圈）處斷裂，因為這是薄弱點。 一個大半徑的附加槽口將功率流輕輕地重新定向到較小、較低的橫截面。 這樣，構件中的xxx應力降低，承載能力不降反增。 浮雕槽口也可能無意中出現，例如在切割玻璃時。
• 槽口作為預定的斷點放置，以確保在超載情況下僅在特定點發生不可避免的破損。 在設計時，注意確保斷點易于到達，損壞的組件可以低成本更換，避免進一步損壞的風險。
• 劃線玻璃、陶瓷和其他脆性材料，使其沿著切口斷裂。 業余愛好者試圖通過重復該過程來改善劃線效果會產生相反的效果。 浮雕缺口出現，材料斷裂更難。
• 包裝，例如帶有易拉片的食品罐或飲料罐或薄膜包裝提供預切槽口以方便打開

導致意外故障的槽口可能有多種原因：

• 許多自然過程都會留下刻痕，例如鋼構件表面生銹。 此類建筑的結構被削弱； 隨著損壞的進展，裂縫會自發地終止承載能力。
• 應力集團中呈現粗糙的表面。 它通常可以通過平滑或拋光的表面來抵消。
• 體內的夾雜物，例如灰口鑄鐵中的空腔或石墨，作為缺口。
• 加入流程的類型，例如鉚接代替膠合，影響接縫處的應力集中。
• 組件的幾何形狀會導致缺口效應，例如軸肩或旋轉對稱（圓形）部件的橫截面變化。
• 由于冷卻過程中的幾何形狀和拉伸應力，焊接過渡具有很強的應力集中。 通過使用高頻錘進行加工可以非常有效地減少這種情況。
• 用劃線器在一塊金屬上劃線會產生裂縫，應力集中可能就有。 在飛機制造中，例如，一般禁止使用劃線器，用合適的鉛筆劃線。

六張圖片展示了應力集中是如何創建的：

• 起始位置：未加載且呈圓柱形的普通圓棒。
• 如果沿組件軸向兩端施加拉力，則桿會在拉力的影響下變長。 同時，它橫向收縮到張力方向（紅色箭頭）（橫向收縮）。它在橫向方向收縮的程度由泊松比 ν 描述：
• 一些材料在張力下膨脹。
• 許多消費材料以體積保持近似恒定的方式收縮（完美的體積恒定對應于 ν {\displaystyle \nu } =0.5）。
• 如果將套筒焊接到圓桿（背面為黃色rlays）并反過來給他施加壓力，情況沒有任何本質變化。 在這里，桿也橫向收縮。
• 但是，如果套筒在整個長度上牢固地（實質上）連接到圓桿上，或者——這會產生同樣的效果——拉桿被開槽，則會產生額外的應力。 黃色標記的區域不會因縱向拉力而變長，因此它們不會在橫向收縮。 另一方面，傳遞拉力的芯材（灰色背景）想要向內收縮（紅色箭頭）。 但是，以黃色標記的區域不會下垂，而是會產生向外的橫向力，以防止芯材橫向收縮。
• 此處顯示了承受拉力的圓棒中的應力分布。 應力在整個橫截面上分布相當均勻。
• 如果你選擇一根較粗的拉桿并為其提供一個凹槽，使得剩余橫截面的直徑 d {\displaystyle d} 與之前的桿相同，那么過渡點處的應力會增加。 在這種情況下，不僅會產生縱向拉應力，而且缺口也會產生橫向拉應力。 支撐芯材料被額外加載，現在的多軸應力狀態導致局部應力峰值。 因此，帶槽口的軸不如無槽口的窄圓棒穩定，盡管它在最窄的橫截面中具有更多的材料和相同的直徑。

假設，xxx直徑為 D {\displaystyle D}，最小直徑為 d {\displaystyle d}，那么與只有直徑 d { \displaystyle d}。

凹口增加應力的程度完全取決于凹口的形狀。 尖的或深的凹口比圓潤的或淺的凹口具有更強的效果。

發生的局部破壞作用取決于材料和負載類型。

• 材料可能對缺口效應特別敏感； 這尤其適用于脆性材料。 另一方面，堅韌（韌性）材料可以通過塑性變形（屈服）降低應力峰值。 此外，層狀鑄鐵等材料由于其特殊的結構對額外的缺口極其不敏感，因為它的結構已經布滿了缺口，因此非常脆。
• 單軸載荷包括靜態、脈動拉伸載荷或交變載荷（交變張力和壓力）。 多軸加載情況可以結合拉伸/壓縮、彎曲或扭轉。

DIN-743（第 1-4 部分）中標準化了軸承載能力計算過程中的槽口計算。 考慮到應力集中，兩個量與組件的構造相關：形狀數 α k 和應力集數 β k 。 形狀數定義為應力增加與標稱應力之比，應力集數定義為無缺口和缺口樣品的偏轉應力之比。

與扁平拉伸桿相比，槽口橫截面中的應力分布不是線性的。 邊緣有電壓尖峰，有的比標稱電壓高很多倍。 為了補償，橫截面中心的實際應力小于標稱應力。 形狀編號取決于工件的幾何形狀。 W {\displaystyle W} 是一個幾何函數，每個凹口都不同。 即使對于簡單的幾何圖形， W {\displaystyle W} 通常也會假設復雜的關系。 在實踐中，形狀編號通常不是手工計算的，而是從打印在表格中的圖表中讀取的。 凹口半徑與軸直徑的比率繪制在橫坐標上，形狀編號 α k {\displaystyle \alpha _{k}} 繪制在縱坐標上。 藍色疊加線表示軸肩處直徑過渡處的直徑比。 較高的線表示較大直徑的過渡。