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但是材料是塑性的还是脆性的,并非一成不变,它将随材料所处的温度、应变率和应力状态等条件的变化而不同。
减少应力集中的办法是尽量使构建的外形圆滑过渡,例如使用倒圆,倒角等,可明显降低局部应力集中。
材料在交变应力作用下发生的破坏称为疲劳破坏。
通常材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时,破坏就可能发生。
另外材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大,这种现象称为应力集中。
对于组织均匀的脆性材料,应力集中将大大降低构件的强度,这在构件的设计时应特别注意。
承受轴向拉伸、压缩的构件,只有在寓加力区域稍远且横截面尺寸又无急剧变化的区域内,横截面上的应力才是均匀分布的。
然而工程中由于实际需要,某些零件常有切口、切槽、螺纹等,因而使杆件上的横截面尺寸发生突然改变,这时,横截面上的应力不再均匀分布,这已为理论和试验所证实。
请注意“应力集中”
应力集中在工程上造成很多破坏,飞机掉下来、建筑跨下来,工程师最怕机械零件应力集中处。
那么,什么是“应力集中”呢?
应力集中就是由于机械某零部件设计的形状不好,结构不合理等诸多原因造成机械零件的低应力破坏。
老百姓说材料还是不错的,但轻轻一碰就坏了。
例一:
玻璃上有一小裂纹,裂纹的终端就是应力集中处。
大家都知道这块玻璃不行了,轻轻一碰就会坏的。
但在厂里工程师有办法,只要这零件(当然不是讲玻璃)强度还可以,我们在裂纹终端钻一个二毫米小孔,形状像小蝌蚪一样,应力集中就消失了。
有时这零件更换原因还不是因为这个裂纹。
例二:
钳工用的钢尺是L型的,检查机械垂直度。
由于内直角处应力集中,容易产生裂纹,产生裂纹后一是容易折断,二是直角不直了。
我们同样在内直角处打一小孔,把一点的应力集中,分散到小园周上。
大家知道点是没有长度的,而小园周长是有长度的,扩大了多少倍呢?
打一小孔,去掉一点材料还好些。
例三:
建筑物柱上的梁,从柱旁梁底斜向中间45度这个面受到拉应力集中,水泥是不抗拉的。
我们就把梁下部水平钢筋弯起,和这个面垂直来承受拉应力。
合理利用材料。
例四:
“磨刀不误砍柴时”是讲时间,其实磨刀也是为了消除刃口上的裂纹和崩口----应力集中。
钝刀和没有精磨过的刀工作时加工质量不好,磨损也较快。
理发师在刮胡子前在皮上荡刀也是这个意思,这样还可以加长刀具寿命。
例五:
带锯条最早是斜面、斜口银焊,焊接质量不错。
考虑到银是金钱,改用氧焊、甚至于对焊。
由于锯钢是冷压钢,焊接形成铸钢性质。
再加上温度、焊渣堆集等因素造成应力集中。
如同某松鼠说可回火处理,消除部分应力集中。
在氧焊中我们还锤打,模拟冷压钢材。
工程师首先要用经验发现应力集中处,然后才能用仪器检查之!
抛砖引玉,见笑!
玻璃上没有裂纹也会有应力的,可以退火处理。
不同的形状和体积退火T-t曲线不同,退火前后都可以通过光学测量看到应力分布。
N次退火后可以完全消失(一个范围内)正常使用。
从钢索断裂到“轻功”骗人----漫谈“应力集中”
来源:
《知识就是力量》2009.9
2009-11-2310:
04:
00
【文章字体:
大
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文:
陈仁政图:
郑勇
“……有一身轻功,长期只身徒手翻到18层以上高楼入室盗窃……”这是重庆某报在2009年3月5日的一篇报道中用的话。
那么,真有所谓“轻功”吗?
巧断绳子的奥秘。
手头没有工具,怎样徒手把不易拉断的绳子拉断呢?
这是一个“难题”。
把绳子的一端在左手的食指上绕几圈,然后在手掌上穿一个花结,如图1、再在离左手大约半米的地方,把绳子的另一端在右手上绕四五圈并攥紧。
最后,两手分别握拳并凑在一起,接着右拳迅速往右下、左拳迅速往左上奋力一挣,绳子就在花结处被挣断了。
那么,牢固的绳子怎么就这样“不堪一挣”呢?
原来,是两手把全部力量集中到了绳子的花结处,绳子在这里的相互作用力很大,就像被小刀切割那样而断裂。
所以,奥秘在于“应力集中”——分散的力集中到某一处的现象。
一张没有裂口的报纸不易破裂,但在边缘轻轻一撕就很容易破裂,也是类似的现象。
应力集中是力学中“断裂力学”研究的内容。
不可忽视的应力集中。
2008年5月2日和6月6日,重庆一个小区内两户居民家的钢化玻璃幕墙先后爆裂……这类钢化玻璃爆裂事件还时常发生在公共场所。
2007年9月,重庆主城区一座大商场的钢化玻璃门突然“粉身碎骨”。
2007年底,上海姑娘王×
×
特地赶回重庆,要在2008年1月9日和重庆小伙张×
完婚。
元旦这天,她在重庆的一家酒店淋浴。
突然,随着浴室内玻璃的一声巨响,她全身11处被扎伤,不得不取消婚礼。
这些玻璃并没有受到猛烈撞击,怎么就突然“弱不禁风”而轰然碎裂呢?
原来,这是物体内部应力集中引起破坏的结果。
物体内部应力集中引起的事故,远不止钢化玻璃爆裂。
在第二次世界大战中,德国的一种飞机中的一根金属轴,总是莫名其妙地折断,当时束手无策,后来才查出是物体内部应力集中……
金属内部应力集中引起破坏的原因之一,是内部结构包括原子“位错”(图2)在内的各种缺陷一一这往往不可避免。
在金属材料的内部,不是均匀、连续且各向同性的多晶体,而是在冶、轧、铸、焊和热处理等工序中,常常引入了包括气体在内的杂质或产生微裂纹。
这些潜在的破坏因素在使用过程中进一步扩张,最终因应力集中造成材料严重损坏。
进一步的研究还发现了原子空位、填隙原子等缺陷。
非金属材料内部类似一一并不表现为理论上的绝对均匀、连续且各向同性。
地壳内部应力集中还可能引起地震。
著名的“5.12”汶川地震,就是印度板块向北推挤,碰到扬子地块阻挡后使青藏高原隆升,造成应力集中引起的:
“由于能量和地应力的长期积累.最后在边缘龙门山断裂带进行能量释放,从而引起地壳变形断裂和地震。
”
上面这类物体内部应力集中引起的破坏,没有或基本上没有热胀冷缩不均匀的外因。
在现实生活中,还有另一种内部应力集中引起的破坏——因热胀冷缩不均匀。
质量不好的普通保温瓶内胆(由两层玻璃制成,夹层内的空气被抽空)或普通玻璃杯.在冬天冲入烫开水时,也可能炸裂。
把一杯烫开水放在一块普通薄玻璃上,有时玻璃也会炸裂。
用烫熟的高温植物油烫辣椒,盛辣椒的杯子(即使是陶瓷材料)也可能炸裂。
这类物体内部应力集中引起的破坏,除了材料的内因以外,还有外因——物体热胀冷缩不均匀使该处材料相对错动而断裂。
以上是第一类应力集中——内部应力集中。
第二类应力集中引起的破坏.是因为外力。
刚买来一双新鞋,没有穿几天,鞋面与鞋底板的连接处就断裂了(图3)这种情形,在塑料凉鞋(图4)或塑料拖鞋中特别常见。
一般玻璃有一条小裂缝,如果不立即采取措施,很快就会彻底破裂。
(图5)平时怎么也拉不断的不干胶纸带,只要有一个小裂口,轻轻一拉就沿着裂口断了。
2()08年12月8日,重庆市渝中区石油路一个小区8号楼顶层(28楼)的魏×
,从邻居家借来一根闭路电视线当“安全带”,准备从楼顶悬吊进家中取出忘带的钥匙,结果因“安全带”断裂摔下。
幸好摔在24楼室外的一根水泥电杆上,受伤后才大难不死。
这根“安全带”断裂的原因,不是它的老化,而是它与楼顶的棱角摩擦导致磨损,使磨伤处应力集中。
如何对付应力集中。
对付应力集中分“使用”和“生产”两个方面,共11招。
使用者的第一招是“躲避防患法”。
有“伤口”(即使很小)的单股绳不要使用。
远离已有小裂缝的玻璃、陶瓷制品等,以防它们”突然崩溃”溅出碎片伤人。
在刮大风的时候,不要站在大的玻璃窗下。
不要购买那些某处曲率大的产品——例如像图3和图4那样的鞋。
不要把滚烫的容器直接放在膨胀系数较大、传热慢的冷玻璃板和人造石材板等硬脆物体上。
第二招是“分散应力法”。
贵重而有纪念意义的玻璃有小裂缝,舍不得丢,能止住裂缝继续变长吗?
能——在裂缝的末尾打一个适当大小的圆孔(图6,为了说明应力被分散,圆孔已被放大,画在右边)。
有经验的修补车胎的师傅,会把车胎裂口的两端剪成圆形后再修补(图7)。
如果要修补有裂缝的塑料板等.也应这样做。
第三招是“逐渐变温法”。
冬天把烫开水冲入普通玻璃保温瓶时,应逐渐升温——先把温度较低的温、热水倒进去预热,倒出之后,再用温度较高的温热水倒入进一步预热,倒出之后才冲入烫开水。
相反,在夏天把诸如棒冰等低温物体放进普通玻璃保温桶时,应逐渐降温。
第四招是“减小曲率法”。
例如,大致沿着图8的虚线打磨、锉削构件表面凹洞附近的材料,让表面相对平整光滑,以减小曲率较大的凹洞底部的曲率。
也可用强力胶黏合填平凹洞。
对金属制品,还可用油漆等填补凹洞处,使凹洞不再扩大。
为了让贵重而又舍不得丢的物品能继续使用,这种方法很有实效。
第五招是“关怀备至法”。
钢索等金属绳索,易化学锈蚀或电化锈蚀。
常用涂抹半固体状的黄油(润滑脂的俗名)或凡士林作防锈剂加以密封,以免金属绳索的“皮肤”受损,还可减小摩擦力。
生产者的第一招是“安全系数法”。
由于材料内部或表面难免有缺陷,只要震动或温度变化产生极其微小的过负载,就会断裂而使整个结构破坏。
因此,要在生产构件时取适当大的安全系数——依材料和工作条件而定。
第二招是“探伤检测法”。
对于要求很高的构件,应用超声波、X光、CT等现代化的方法检测构件的缺陷,以便剔除劣质品。
第三招是“消除内部应力法”。
生产钢化玻璃,在“淬火”即“钢化”处理(将普通玻璃加热到软化点,然后急剧风冷)之后.要进行“回火”即“老化”处理(把已经淬火的玻璃,置于较高但低于玻璃软化点温度的空气中),以消除淬火时的内部应力集中。
如果老化处理不当,就埋下了应力集中的“定时炸弹”,这就对设备、工艺和操作有较高的要求。
附带说明,随着物质生活水平的提高,钢化玻璃固有的美观和其他优点(强度很高而不易被破坏——抗弯强度与抗冲击强度,分别比普通玻璃高4~5倍和5倍;
即使被破坏.碎块外观圆滑而没有尖锐的棱角,不易划伤人体),所以应用越来越广。
但随之而来的是,由劣质钢化玻璃制品引出的安全事故也层出不穷。
对此,消费者应购买信得过的产品。
第四招是“分散外部应力法”。
原则是在材料的交界处,尽量避免用曲率大的折线,而采用圆滑的曲线。
用“提口”来提的纸袋或塑料袋,“提口”做成“跑道形”,有的还在“跑道”四周另贴一块塑料来“加强”。
用提绳来提的纸袋或塑料袋,应用“铆扣”加强绳穿过的小孔处(图9).避免提绳把袋子勒破,进一步还可在绳端打上一个大疙瘩。
任何鞋的鞋面和鞋带的连接处,鞋根和鞋底的连接处.都应做成圆滑曲线(分别见图3、图4和图10)。
家具或其他物件,也应如此(图11)。
第五招是“小膨胀系数法”。
对于用脆性材料的制品,采用膨胀系数小的材料制造,可以避免因热胀冷缩不均匀引起的破坏。
最典型的实例是石英坩埚。
石英的膨胀系数非常之小——仅为普通玻璃的1/200-1/100,以至把红热的石英坩埚扔进冷水中,也不会像玻璃制品那样破裂,所以石英坩埚成了化学家们的宠儿。
第六招是“改进产品法”。
以安全玻璃为例,目前有单层钢化玻璃和夹层钢化玻璃(图12)两大类。
既然单层钢化玻璃存在难以避免的应力集中,那就用加“钢筋”(现多用PVB薄膜)制止集中的应力“发威”,这就是夹层钢化玻璃——由两块或多块玻璃用透明塑料(PVB薄膜)黏成。
事实上,英国一家玻璃生产厂的老板吉姆斯·
牛顿,在1857年就发明了夹层安全玻璃——当时用的是铁丝网。
1910年,法国化学家彭奈迪脱斯则发明了夹有药膜的夹层玻璃。
多股绳的奥秘。
多股线已经和我们形影不离——从晒衣绳、捆绑绳到起重机的绞绳、船舶的缆绳,从杂技中走钢丝中用的钢绳到高压输电线……那么,这些绳索,为什么不用单股粗绳而是用多股绞合细绳呢?
以起重机的绞绳为例,原因主要有以下三点。
①绞合的多股细绳比单股粗绳更柔软,便于卷在轮轴上使用、收藏和运输。
②多股绞合细绳比同截面、同材料的单股粗绳受拉强度更大,而且不易在无数次的反复弯曲、伸展中折断。
受拉强度更大的原因是总表面积更大。
不易在弯曲、伸展中折断的科学道理,可从图13看出:
粗玻璃棒易折断,细玻璃纤维丝却不易折断(因此可以织成玻璃布用于防腐等),是其例证。
③多股绞合细绳在受到物理或化学的“外伤”,造成部分断裂后,如果其他部分完好无损,还可以继续“坚持一会”.或者在去除断绳后继续完成较“低级”的任务——比如能承载800千克的8股绳断了1股,可继续完成(例如)承载200千克的任务(取的安全系数必须比原来大);
但在受力较大时,同样粗细的单股绳(例如某些跳绳用的绳子、钓鱼的线),有一点点小裂口就会立即断裂。
这也可解释为什么许多“绳断人亡物毁”的灾难,往往罪魁祸首仅仅是粗大构件上似乎不值一提的裂口或制造时的缺陷——并不限于绳索。
多股绞合细绳有两种——“单绞多股绳”和“复绞多股绳”。
把许多股细绳绞成1股“麻花”,就是单绞多股绳:
再把几根单绞多股绳绞成更大的“麻花”.就成为复绞多股绳。
(图14)
应力集中也有益。
应力集中并不都是坏处,以下是一些常见实例。
医用胶布、电工胶布或者不太牢固的布匹等,只需剪一个短小的口子就可迅速撕开,大大地节约了时间。
在“薄弱环节”处,很容易被撕开方便面调料的包装袋、装豆腐干等小食品的塑料袋。
于是,厂家就在这些塑料袋的边缘制造这样的“薄弱环节”——通常是一根黑色或红色的短线。
不用小刀也能“裁纸”的方法是,折纸后把折痕在桌上压死,然后在边缘用手弄一个小裂口,再压在桌上按一定角度从裂口处逐渐把整张纸撕开。
有时要弄断一根小指头粗的钢棒,用一把老虎钳不能完成,手头又没有钢锯,怎么办?
此时,只需用“砍刀”(特点是口子薄,但附近厚,和“切刀”的整个刀体都很薄不同)、錾子或钢锉弄开一个小口,粗钢棒就容易在来回的多次弯折后掰断。
劈柴、劈竹、砍树的刀,除了用到尖劈的原理以外,就是应力集中在材料的裂口处。
石工把石料一劈为二的方法是,用钢凿在石料上打孔后,再用重量很大的锤子猛烈砸向放进孔里的钢楔。
这里的奥妙之一,就在于所打的孑L呈尖劈形——让应力集中在裂口处。
应力集中的启迪。
应力集中和著名的“木桶效应”(木桶装水的多少取决于最短的板)异曲同工——都是“薄弱环节”在起决定性的作用。
所以,在一切活动中都应特别注意薄弱环节。
在军事上要克敌制胜,法宝之一就是“伤其十指不如断其一指”——“集中优势兵力打歼灭战”。
例如,著名的诺曼底登陆,就是找到了德寇的薄弱环节。
科研中要集中力量攻薄弱环节以求突破。
打蛇要打它的“七寸”。
有时粗大的金属旗杆在“红旗迎风招展”中折断,但断处并不一定是受力矩作用最大的根部。
“牢固”的拴狗铁链,会突然被小狗挣断……这些常见的现象。
除了其他原因以外,都是因物品有薄弱环节。
2008年6月21日,在建中的温福铁路(从温州到福州)位于温州西北郊双屿牛岭村工地的一座移动模架突然坍塌,导致3间民房被压垮,7人死亡。
原因是移动模架在移动时保险钢索断裂。
同年10月28日,位于重庆市武隆县在建的芙蓉江大桥工地.23名上班工人乘坐的吊斗的钢索突然断裂,造成11人死亡、12人受伤的惨剧。
这类钢索断裂,绝大多数不是“超载”,而是钢索出现微小裂口时不以为然——没有认识到应力集中的巨大危害,错误地认为这点小裂口对几厘米粗的钢索几乎“不值一提”。
例如,上述芙蓉江大桥惨剧发生3天前(即lO月25日),已经发现钢索“发毛”(钢索表面部分有裂口),但工人报告后仍未引起有关人员重视。
最终,至少有7人因此被逮捕法办。
所以,对承重钢索应特别注意应力集中,不要认为钢索绝对“坚强如钢”。
对有裂口的塑料“保险绳”也是这样——无数被称为“蜘蛛人”的高空作业者(例如清洁高层建筑玻璃幕墙的工人)就因这“不值一提”而死于非命。
子虚乌有的“特异功能”。
一种“特异功能”表演,是用两个纸环把一根日光灯管吊起来,然后人在日光灯管上翻飞回旋。
有人说,这是“轻功”。
其实,这种“轻功”的说法完全是骗人的。
事实上,只要纸环有足够的强度(这只需选取没有裂纹的纸),任何常人都可以这样表演。
原因是日光灯管和人的重量“平均”分配在纸环的承重面,没有产生应力集中而超过纸的受拉强度。
踩鸡蛋或踩灯泡表演的道理也是如此——所以表演者都穿软底鞋以增大接触面积。
其实,根本不可能炼成什么“轻功”,因为地球对人的引力“由牛顿说了算”——万有引力定律确定大小,绝不会“因‘功’而异”。
留给读者的问题。
易拉罐的罐体,由相同的材料制成,在拉环以外的地方,并不“易拉”,但为什么在拉环处“易拉”呢?
塑料吸管为什么能刺进铝瓶盖吸食药瓶内的药物呢?
图钉为什么能扎进坚硬的墙壁呢?
当然,后面两个问题也可从压强的角度来回答。
(责编林方时)
文章来源《知识就是力量》2009.9
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