应力集中对裂缝繁殖的影响

当一个结构或机器被设计时，它必须满足一定的可靠性和安全阈值，这是基于一些因素:它所承受的载荷，它所处的环境和提议服务年限．

这些门槛是什么以及它们的高度是一种不断发展的事情，这些概念在过去百年左右的情况下发生了显着变化。只有50年前，我们没有任何想法为什么船只会似乎是普通的，休息一半，或为什么商用飞机会分解中飞行。

自19岁的工业革命以来^th在本世纪，我们越来越需要推动我们的工程设计，这付出了巨大的代价，导致了无数可怕的灾难。桥梁垮塌，船只沉没，建筑物倒塌，即使是在按照既定安全因素设计的情况下。

很明显，我们错过了一些东西。发展领域的发展骨折力学我们对自20世纪50年代以来，了解裂缝和繁殖的裂缝和传播的理解，我们现在可以设计和工程师在以前被认为是完全不安全和不可靠的事情。

裂纹与应力的关系

有三个关键因素是负责任的裂缝形成而且，反过来，物质失败:负载(和压力)，材料的特性，以及它所处的环境。

在工程术语中，应力可以定义为负载量单个材料灯丝携带。但是，这不是一个真实的物理表示，因为压力可以缩小到原子水平，在那里我们将观察分子和原子之间的吸引力和排斥力，以及所有外力或载荷，即作用在他们。

我们无法真正衡量压力，因为它是一种材料的内部属性，我们只能通过了解几何形状和所施加的负载来近似它。

应力计算公式:

σ = f / a

其中f是给定负载，并且a是垂直于负载向量的问题部分的横截面。

压力值是估计的事实是非常重要的，因为在比赛中有几个额外的因素使得非常难以安全地估计压力：内部应力，残余的压力和压力浓度．

上述因素是似乎安全结构会破坏或跌倒的原因。如果我们有一个完美的均匀材料，没有几何没有变化，我们可以以绝对精度计算压力。然而，当几何形状发生变化时，即时附近的区域遭受比平均值更高的应力。一个例子是孔的应力集中．

突然的变化增加了应力集中值。在设计结构时必须考虑到这一点，即使整个部分的安全系数很高，仍然可能有区域的局部应力值高于极限抗拉强度的材料。(发现强度和韧性的区别．)

更重要的是，没有一种材料是真正同质的。总是有各种各样的夹杂物，不连续性以及充当局部微胁迫聚光器的缺陷。另外，由于生产和组装部分的方式，可以存在残余应力，这也可以将应力水平放在安全极限上。

这一切是如何影响裂缝形成的呢?

每种材料在撕裂之前都有一定的能量阈值。如果我们将外部载荷、内部应力、几何形状变化、温度变化和腐蚀结合在一起，不可避免地会发生撕裂并形成裂纹。

当出现这样的分离时，它非常薄或尖锐（一个裂缝尺寸远大于另一个）。这意味着由于应力集中，在裂纹尖端的压力是理论上的无限，并且它导致材料的进一步撕裂裂纹扩展．现在，这并不像听起来那么危险。

裂缝和失败

幸运的是，同样的缺陷在材料，几何变化和残余应力实际上可以成为裂纹扩展的障碍。如果一条裂缝撞上了不连续在这些材料中，它必须具有更大的能量来克服它并进一步传播。

明显的问题是裂纹减少了材料的承载面，这意味着剩余的连续材料要承担越来越多的载荷。然而，这意味着我们仍然可以使用开裂的部件，只要应力水平低于极限抗拉强度。

一般来说，在裂缝出现之后，在韧性材料，有一个稳定的裂纹增长时期，我们可以相当准确地预测，只要我们定期检查裂纹发展，我们就可以继续安全使用机器或结构。

裂缝的第二阶段之后是不稳定裂缝繁殖的最终阶段，其中裂缝在完全失败之前迅速增长。当然，每个阶段是多长时间以及如何裂缝的行为是一个非常复杂的问题，绝不会帮助压力腐蚀裂缝要么腐蚀疲劳．(了解更多关于腐蚀如何影响材料的强度腐蚀对材料剪切行为的影响．)

骨折力学的进步与使用有限元分析在很大程度上负责我们对这种裂缝行为的理解，以及我们如何防止它或打击它。

我们可以通过引入故意的残余应力来影响裂缝行为，或者甚至避免应力分布的额外几何形状变化。例如，我们可以通过在裂缝尖端处钻孔来停止进一步的裂缝传播，或者通过焊接表面引入内部应力。这些方法仅仅是临时解决方案，因为材料的进一步降解是不可避免的。

然而，主要问题是这里真的没有规则。每个部分都由一种独特的材料制成微观结构，其工作制度是独一无二的，其环境和环境变化是独一无二的。没有所有最终的等式，可以在肯定和裂缝出现时告诉我们。

但是，我们确实有一个越来越多的遭受失败的部件数据库，这意味着我们可以创建越来越准确的模型，我们可以用来估计裂缝在出现时的表现。（看腐蚀失效的三个阶段分析有关更多信息。）我们开发的新方法使我们能够预测此类活动的机会最高，我们可以相应地设计我们的机器。

整个过程远非完美，但该工程范例的最终结果是根据可靠性而不是安全因素设计的，这是我们具有更可靠，更安全的建筑，同时在长远来看，使用较低的生产和维护成本的材料更少。