Những công thức đã nhắc lại ở phần trước dùng để tính các ứng suất đơn do kéo và nén đúng tâm, mômen uốn, và mômen xoắn được áp dụng theo các điều kiện đã biết. Một điều kiện là hình dạng chi tiết không đổi trong đoạn đang xét.
Trong nhiều vấn đề thiết kế máy điển hình, sự gián đoạn của kích cỡ là cần thiết với những bộ phận có chức năng riêng. Ví dụ, như đã nêu trên hình 12-2 trong chương 12, trục mang các bánh răng, đĩa xích, hoặc bánh đai thường có một vài đường kính để tạo ra một loạt các vai làm chỗ tựa cho các chi tiết truyền công suất và các gối đỡ. Các rãnh trên trục cho phép lắp các vòng chặn. Các rãnh then phay trên trục lắp then để dẫn động các chi tiết. Tương tự, các bộ phận
chịu kéo trong các cơ cấu có thể được thiết kế với các rãnh vòng chặn, các lỗ hướng tâm để lắp chốt, ren vít, hoặc các mặt cắt nhỏ đi.
Bất cứ một sự gián đoạn thông số hình học nào sẽ dẫn đến ứng suất cực đại thực tế trong các bộ phận sẽ lớn hơn giá trị thông thường đã tính. Khái niệm hệ số tập trung ứng suất như một hệ số thể hiện ứng suất cực đại thực tế vượt quá ứng suất danh nghĩa, σnom hoặc τnom, dự báo từ những phương trình bậc nhất cho phép người thiết kế phân tích những trường hợp này. Kí hiệu cho những hệ số đó là Kt. Thông thường, hệ số Kt được sử dụng như sau:
σmax = Kt.σnom hoặc τmax = Kt.τnom (3-27)
tuỳ thuộc vào loại ứng suất tạo ra bởi tải trọng cụ thể. Giá trị của Kt tuỳ thuộc vào kiểu gián đoạn, đặc trưng hình học, và loại ứng suất. Phụ lục 15 bao gồm một vài bảng tra hệ số tập trung ứng suất. (xem tham khảo 5). Chú ý rằng các bảng này đưa ra cả phương pháp tính ứng suất danh nghĩa. Thông thường chúng ta tính ứng suất danh nghĩa bằng cách sử dụng mặt cắt nguyên làm việc trong lân cận vùng gián đoạn. Ví dụ, một đĩa phẳng có lỗ chịu lực kéo, ứng suất danh nghĩa được tính theo lực chia cho diện tích mặt cắt ngang nhỏ nhất đi qua vị trí của lỗ.
Nhưng có những trường hợp khác ở đó diện tích toàn bộ được dùng để tính ứng suất danh nghĩa. Ví dụ, chúng ta tính đến các rãnh then bằng cách áp dụng hệ số tập trung ứng suất vào ứng suất tính toán trong toàn bộ đường kính của trục
Hình 3-25 chỉ ra một thiết bị thí nghiệm để chứng minh hiện tượng tập trung ứng suất. Một mô hình dầm có một vài chiều cao mặt cắt ngang khác nhau được làm từ chất dẻo đặc biệt phản ứng với sự xuất hiện ứng suất thay đổi tại các điểm khác nhau. Khi mô hình này được quan sát qua bộ lọc phân cực, một vài vân màu đen xuất hiện. Nơi có nhiều vân sát nhau, ứng suất đang thay đổi rất nhanh. Chúng ta có thể tính độ lớn thực tế của ứng suất bằng kiến thức về các đặc tuyến quang của chất dẻo.
Dầm trong hình 3-25 là loại tựa đơn giản gần hai đầu và chịu tải thẳng đứng tại chính giữa dầm. Ứng suất lớn nhất xuất hiện tại bên trái điểm giữa dầm, nơi chiều cao của mặt cắt ngang bị giảm. Lưu ý rằng các vân tiến lại gần nhau trong vùng lân cận của góc lượn nối mặt cắt nhỏ hơn với phần lớn hơn, nơi đặt tải trọng. Điều đó chứng tỏ ứng suất lớn nhất xuất hiện tại góc lượn. Hình A15-2 đưa ra các giá trị của hệ số tập trung ứng suất Kt. Ứng suất danh nghĩa σnom được tính từ công thức biến dạng cổ điển, và mômen chống uốn của mặt cắt ngang nhỏ hơn gần góc lượn. Những công thức này được liệt kê gần với đồ thị tập trung ứng suất.
Hình 3-25 Minh hoạ về sự tập trung ứng suất
Một vấn đề cần lưu tâm từ hình A15-3 là hệ số tập trung ứng suất cho bản phẳng với một lỗ tâm. Đường cong A và B là của tải trọng kéo, trong khi đường cong C là cho tải trọng uốn. Ứng suất danh nghĩa cho mỗi trường hợp được tính trên cơ sở mặt cắt nguyên có tính đến phần đã bỏ đi do lỗ. Đường cong C thể hiện hệ số tập trung ứng suất là 1.0 cho những lỗ nhỏ, với tỉ lệ đường kính lỗ trên chiều rộng tấm < 0.50.
Hình A15-4 bao gồm trường hợp trục có một lỗ tròn xuyên thủng trục. Ba đường cong bao gồm tải trọng kéo, uốn, và xoắn, và mỗi trường hợp dựa trên ứng suất trên mặt cắt toàn bộ với các thông số hình học của trục không có lỗ. Vì vậy giá trị của Kt bao gồm ảnh hưởng của cả phần vật liệu bỏ đi và sự gián đoạn tạo ra bởi lỗ. Giá trị của Kt là tương đối cao, ngay cả với những lỗ nhỏ hơn, bạn sẽ phải thận trọng với những trục có lỗ mang tải trọng để đảm bảo rằng ứng suất nhỏ.
Sau đây là những hướng dẫn khi sử dụng hệ số tập trung ứng suất: