[分享]应力集中对裂纹演变的影响

结构材料和机械设备在设计的初期会设定一些可使用和长期使用的安全阈值，主要体现在参数的达标。如电梯在一定的应用环境下，必然有最大负重，且需要定期对设备进行检验和维护。这些结构材料和机械设备的设定参数主要由以下几个因素决定：使用过程承载的负载、使用的环境以及预期的使用寿命。

设备的安全阈值与设备使用过程的相关性都决定了参数的设定。科技的发展着实难以想象，随着技术的发展、环境的变化，新的观点和新的考量因素也出现了。50年前或更早，我们对于轮船在航线的半路出现故障、商业航线飞机在中途坠毁等等一无所知，往往只是将这些灾难归咎于运气不好等。

19世纪的工业革命，工业化的实现大大的推进了工程设计的发展，这些发展是由数以千计的人类生命所推动的，如桥梁的坍塌、轮船的沉没、建筑的结构破坏等等。任何人类活动空间使用的工具、建筑等都需要考量一些工业应用的安全因素。

很显然我们错过了很多东西，付出了很多代价。但是在十九世纪五十年代随着对破坏机理的研究以及对于裂纹的产生和演变的探讨，现在工业界可以对结构材料和设备设计都可以有效地评估其安全性和长期使用寿命，而不是以前的一无所知。

材料受到的应力、材料本身的性质和环境本身。

从工程领域的定义来讲应力就是单个材料某一区域受到的负载。这并不是一个真正的物理表达公式，虽然应力的计算范围可以定义到原子级别，可以研究原子之间的引力、斥力、其外部受到的应力、负载作用于原子本身的作用力。现有的测试技术存在一定的局限性，这是材料内部的固有性质。我们可以大致通过其外在的形状和受到的负载来估算。应力的计算公式如下：

σ = F / A

应力表示单位截面积下的受到的垂直区域的负载。事实上对于应力值的估算是十分重要的，因为不同的应力对于材料或设备的安全性都存在的重大的影响，如内部应力、残余应力以及应力集中等。上述存在的不同的应力也是为什么我们觉得看似安全的结构存突然断裂或者跌落的原因。如果所使用的材料是完全均一的，这样计算能够得出精准的应力。但是在实际应用过程中，由于材料结构的变化，某些区域受到的应力会高于其他区域受到的应力或应力的平均值。材料受到突然的变化都会增加内部的应力集中值。这一点是材料应用过程中必须要考量的一个重要因素，尤其是结构材料的设计。即使整个结构材料区域都设计都要求极高的安全性，但是仍然存在部分区域受到的应力可能大于材料本身的拉伸强度。

更重要的一点是，加工过程、环境、材料的几何形状都决定了材料不可能均相。材料内部存在一些杂质、缺陷等等都形成了微应力区域。此外由于设备的生产和组装过程，这些都会带来残余应力并且将随着残余应力的引入最终会影响其特定区域的使用（由于安全因素的考虑）。

每种材料的撕裂都需要一定的力。当材料的外部载荷、内部应力、形状和环境温度的改变时，都不可避免的产生撕裂最终产生裂纹。当出现这种分离时，会形成微小的裂纹。这也意味着由于应力集中的出现，裂纹尖端理论上是可以无限的延长，导致进一步撕裂和裂纹的扩展。当然这种现象不会被肉眼可见，但是对于材料使用安全性存在潜在的影响。

一般来讲，只要裂纹出现，具有延展性的材料，都会存在一个稳定的裂纹扩展期，因此只要对裂纹进行检测和跟踪，从而确定含有裂纹的部件能否继续使用。第二发展阶段，材料进入了裂纹的不稳定发展阶段，裂纹继续增长直到材料破坏，这个过程是一个非常复杂的过程，这和应力腐蚀裂纹和腐蚀疲劳行为完全不同。随着应力机理的研究和有限元分析对于了解裂纹行为具有重要作用，也为如何阻止和避免裂纹行为提供了解决思路——通过引入内部残余应力影响裂纹行为，通过几何形状的设计和变化来改变材料内部的应力分布。一些简易可行的方法被提出，例如在材料上钻孔或焊接引入内应力来实现终止裂纹的增长。当然这也仅仅是一个短期的效果因为材料裂纹的最终老化过程是不可避免的。

一个非常重要的问题是并没有通用的方法来解决裂纹的生长。每个部件都具有独特的微结构，它的工作机理也是独特的，使用的环境的变化过程也是单一的。因此也没有一个计算方法来告诉我们最终的裂纹产生的时间和区域。目前随着模拟数据库的扩展，不同材料的破裂机制也被引入到系统内部，更多的模型并提供用于材料的设计。

尽管现有的技术还不是那么完善，但是围绕材料和设备的安全性的研究始终是一个永恒的话题。通过现有技术，来制造更加安全、可靠的结构材料，使用更好的材料来实现更长的使用寿命。