熱處理技術: 應力集中對零件失效的影響
實際的金屬構件因其結構需要，一般具有各種孔、臺階、槽、缺口和幾何尺寸變化等。同時，零件或構件在加工以及材料在冶煉過程中不可避免地會產生一些缺陷，如零件表面的加工刀痕，截面變化時的圓角過渡不光滑，螺紋根部尖角，材料中的夾雜物、裂紋等。實踐證明，在這些部位都會產生應力集中現象。當應力集中區的最大應力大于材料的強度極限時，就會導致機械構件首先在應力集中部位或附近發生斷裂失效。應力集中對零件失效的影響，在一定程度上與材料的缺口敏感性有關。缺口導致應力狀態的變化和應力集中，有使材料變脆的趨向。不同材料的缺口敏感性是不同的，一般用缺口試樣強度與光滑試樣強度的比值NSR來表示材料的缺口敏感性，即：RNm-缺口試樣的抗拉強度（缺口拉伸試樣的幾何形狀應按有關標準執行）；比值NSR越大，缺口敏感性越小。當NSR>1時，說明缺口處發生了塑性變形的擴展，比值越大，說明塑性變形擴展量越大，脆化傾向越小。當塑性材料的NSR>1，材料反而具有缺口強化效應，缺口敏感性小甚至不敏感。當NSR<1時，說明缺口處還未明顯發生塑性變形擴展就脆斷，表示缺口敏感。但在實際使用時，還要考慮尺寸因素（尺寸愈大，缺陷出現的概率愈大，NSR越低）及表面因素（表面越粗糙，NSR降低得越多）。實際工作中的零件，有些不可避免地帶有缺口，而且要承受偏斜載荷，如螺栓類零件。有時正向載荷的缺口敏感性并不大，但在承受斜拉伸時就表現得比較明顯。例如30CrMnsi高強度螺栓經200℃回火的抗拉強度比500℃回火的要高，缺口敏感性和沖擊韌度也不算低，應選擇200℃回火以發揮材料高強度的優越性，但從0~80材料的拉伸結果來看，經500℃回火的偏斜拉伸缺口敏感性均較200℃回火的要小，故選用500℃回火工藝可以提高零件的韌性，降低脆性斷裂的概率。（1）材料力學性能的影響通常，材料硬度越高，脆性越大，塑性和韌性越低，應力集中作用越強烈，其裂紋擴展速率也越大。
（2）零件幾何形狀的影響許多零件由于結構上的需要或設計上的不合理，在結構上有尖銳的凸邊、溝槽或缺口等，在加工或使用過程中，將在這些尖銳部位產生很大的應力集中而導致開裂，見圖所示。
（3）零件應力狀態的影響當材料質量合格、幾何形狀合理的情況下，裂紋起源的部位主要受零件應力狀態的影響，此時，裂紋將在最大應力處形成。例如，在單向彎曲疲勞時，疲勞裂紋一般起源于受力一邊的應力最大處；在雙向彎曲疲勞時，疲勞裂紋一般起源于受力兩邊的應力最大處；在齒輪齒面上的裂紋，一般起源于節圓附近；具有臺階的軸，承受扭轉、彎曲、切應力的聯合作用時，裂紋一般起源于最大（危險）截面的臺階過渡處。在這些部位，應盡量避免人為的應力集中，如表面的加工缺陷、溝槽、臺階過渡處的不光滑等。
（4）加工缺陷的影響由于零部件加工精度要求不高，或者沒有按照圖樣要求加工，致使零件的實際應力集中系數比計算值高出許多，從而使實際應力加大，導致開裂失效。由于加工刀痕等加工缺陷存在，在零件以后的服役過程中，由刀痕引起的應力集中也往往導致裂紋的產生。對于焊接或鑄造缺陷，如焊接接頭的咬邊、鑄件的錯縫等，也易引起應力集中，從而導致使用中的開裂。設備和構件在安裝過程中，如果不嚴格執行操作規范，就會產生不應有的安裝缺陷，如構件表面的劃傷、錘擊坑等。例如，某腐蝕防護工程需要鋪設不銹鋼鋼板，由于鋼板所受應力很低，經分析不足以引起過早的應力腐蝕開裂。但是工人在操作時，穿的是帶釘的皮鞋，在不銹鋼鋼板表面踩踏而形成小坑。在踩踏坑周邊，由于應力集中的作用，其應力增加，應力腐蝕裂紋即從這些地方開始。
在設備和構件的檢驗、維修中，也會造成應力集中，從而導致開裂。例如某石油機械廠生產的采油機減速器發生二級軸斷裂，軸徑為4450mm，45鋼調質處理。斷裂部位在軸承與中間軸段的過渡段，中間軸段的直徑為中500mm，安裝軸承的軸頸部分直徑為4410mm。經分析，斷裂為疲勞斷裂，疲勞裂紋擴展區與最后瞬斷區的比例高于80%。經檢查，材質沒有問題，加工表面粗糙度值也沒有問題。最后分析確認，疲勞裂紋源于表面的一串小坑。經了解，這一串小坑是檢驗人員在檢測硬度時留下的。當時出于“認真”考慮，在檢測時沿周向畫了一條線，硬度坑沿這條線分布。由于7個硬度坑在一條線上且相距不遠，最后形成應力集中，導致發生疲勞開裂。【案例】某產品被動軸斷裂為四段，該軸動力輸入端花鍵部分發生嚴重扭曲變形，安裝軸承處的外表面擠傷。案例分析：該被動軸在正常運轉過程中，首先在油孔和軸相交處產生應力集中，由此產生微裂紋。在周期載荷作用下裂紋逐漸變大，達到一定尺寸后裂紋開始沿垂直于最大正應力的方向擴展，形成疲勞裂紋源，并逐漸擴展。由于后續的超載或破碎軸承的嵌入和擠壓作用而導致正常運轉的被動軸驟然停轉，使裂紋突然失穩擴展、斷裂。應力集中現象是普遍存在的，它對失效的影響很大，應當加強技術監督，嚴格檢查，消除一些不必要的應力集中因素（如加工缺陷）。同時，要采取一定的技術措施，在設計和加工中盡量減小應力集中程度。
采取局部強化以提高應力集中處的材料疲勞強度，從而減少應力集中的危害。表面熱處理強化包括表面感應淬火、滲碳、滲氮和復合處理等，可得到軟（高韌性）的心部、硬的表層，在表層還存在殘余壓應力，由此降低應力集中的影響。
直徑大且有截面變化的短軸類零件，如選用低淬透性鋼，經強烈淬火后可形成薄的表面淬硬層，其內存在殘余壓應力，可降低應力集中的影響。薄殼淬火與表面感應溶火相比有其較為有利的一面，即對于類似的零件，感應率火容易使截面變化的過渡區（如軸肩）無法淬火而存在殘余拉應力，反而加大了應力集中的有害作用。
（3）噴丸強化
使金屬表層強化且產生大的殘余壓應力，從而降低應力集中的危害。高強度材料表面粗糙度值大或有缺陷時，噴丸處理對降低應力集中的影響更明顯。應力噴丸處理比一般噴丸處理效果更好。使零件表面形變強化并產生殘余壓應力，從而降低應力集中的有害作用。其效果與滾壓參數及材料本身的組織性能有關。2，從設計方面降低應力集中系數
（1）變截面部位的過渡應盡可能地加大過渡部分的圓角，使過渡區接近于流線形，同時也要考慮到工藝性?？梢愿淖冞^渡方式，采用橢圓過渡比圓弧過渡更好，或者采用其他過渡方式。（2）根據零件的受力方向和位置選擇適當的開孔部位孔一般應開在低應力區，如果必須開在高應力區，則應采取補強措施。橢圓形的長軸應與主應力方向平行，以降低應力集中系數。（3）在應力集中區附近的低應力部位增開缺口和圓孔這樣可使應力的流線平緩，從而降低最大應力峰值。例如，圖a所示的應力集中系數為3，而圖b所示的應力集中系數為2.63。
同樣，在應力集中區附近的低應力部位，加開卸載槽（圖），也可改善應力集中情況。
大量的失效分析表明，加工中的刀痕、焊接時的缺陷、危險截面部位的非金屬夾雜物、圓弧過渡的不光滑等，往往成為零件失效的直接促發因素，故在進行失效分析時對應力集中問題不可忽視。
