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    金屬材料在熔煉、成形等過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生夾雜、偏析等內(nèi)部缺陷，造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，機(jī)械、設(shè)備構(gòu)件中溝槽階、定位孔、棱角等的形狀也會(huì)影響零部件外表面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，結(jié)構(gòu)的不連續(xù)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致零部件在使用中局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中。工程中常將該類(lèi)不連續(xù)結(jié)構(gòu)等效為“缺口”來(lái)考慮，這些缺口除了會(huì)造成材料的應(yīng)力集中外，還會(huì)導(dǎo)致缺口根部的應(yīng)力及變形狀態(tài)發(fā)生改變。如在拉伸過(guò)程中，缺口根部的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)由單向拉伸變?yōu)殡p向或三向拉伸，同時(shí)缺口尖端附近的塑性變形也被顯著約束。

 

     研究表明，由于材料的塑性不同，缺口對(duì)材料斷裂行為的影響存在差異。鮮有學(xué)者直接對(duì)比不同塑性金屬材料缺口試樣的斷裂行為，為此，來(lái)自中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所的徐魁龍、張聰毅等研究人員對(duì)3種不同塑性的金屬材料分別進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比缺口試樣的抗拉強(qiáng)度及斷口形貌，研究了缺口對(duì)不同塑性材料抗拉強(qiáng)度和斷裂行為的影響。

 

1 試驗(yàn)方法

 

     試驗(yàn)采用10CrNi3MoV鋼、5083鋁合金、500-7球墨鑄鐵3種不同塑性的金屬材料。按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求加工成R4型圓柱狀拉伸試樣，在試樣平行段中間位置加工V形缺口，缺口角度為60°，缺口尖端半徑為0.1mm，缺口根部直徑D分別為6，8，10mm(對(duì)應(yīng)缺口深度分別為2，1，0mm，缺口深度為0mm的試樣即為光滑試樣)，拉伸試樣的形狀及尺寸見(jiàn)圖1。

 

圖1 拉伸試樣形狀及尺寸示意圖

 

     拉伸試驗(yàn)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為1mm·min-1。3種材料光滑試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)3種材料的斷后伸長(zhǎng)率A有較大差異，10CrNi3MoV鋼的斷后伸長(zhǎng)率大于5083鋁合金、500-7球墨鑄鐵的。3種材料光滑試樣及缺口試樣的抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表2，可見(jiàn)10CrNi3MoV鋼和5083鋁，合金缺口試樣的抗拉強(qiáng)度都較光滑試樣的高，500-7球墨鑄鐵缺口試樣的抗拉強(qiáng)度較光滑試樣的降低。

 

表1 3種材料光滑試樣的拉伸性能

 

表2 3種材料光滑試樣及缺口試樣的抗拉強(qiáng)度

2 試驗(yàn)結(jié)果

 

2.1 抗拉強(qiáng)度

 

     3種材料的抗拉強(qiáng)度-缺口深度關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著缺口深度的增加，10CrNi3MoV鋼、5083鋁合金的抗拉強(qiáng)度均增大，其中，10CrNi3MoV鋼的增大幅度高于5083鋁合金的，如缺口深度為2mm時(shí)，前者的抗拉強(qiáng)度為光滑試樣的1.74倍，后者的為1.31倍。對(duì)于500-7球墨鑄鐵而言，抗拉強(qiáng)度與缺口深度的關(guān)系呈與10CrNi3MoV鋼、5083鋁合金相反的規(guī)律，即隨著缺口深度的增加，其抗拉強(qiáng)度降低，缺口深度為2mm時(shí)抗拉強(qiáng)度為光滑試樣的0.92倍。

 

圖2 不同塑性金屬試樣的抗拉強(qiáng)度-缺口深度關(guān)系曲線圖

 

2.2 斷口形貌

 

     圖3為10CrNi3MoV鋼光滑試樣和不同深度缺口試樣的斷口宏觀形貌，可見(jiàn)光滑試樣斷口呈典型的杯錐狀，該試樣斷后伸長(zhǎng)率為27.5%，斷面收縮率為78.1%，塑性良好；缺口試樣發(fā)生了頸縮，缺口深度2mm的試樣的斷面收縮率為33%。

 

圖3 10CrNi3MoV鋼光滑試樣和缺口試樣的宏觀形貌

 

      隨著缺口深度的增加，斷口邊緣剪切唇的面積逐漸減小，心部纖維區(qū)面積逐漸增加。缺口深度為2mm時(shí)，心部纖維區(qū)面積占比達(dá)到90%，如圖4a)所示。圖4b)為圖4a)箭頭所示區(qū)域SEM形貌，從圖中可以看出，試樣心部纖維區(qū)為具有正拉斷裂特征的韌窩狀斷口，說(shuō)明拉伸試樣的起裂位置位于試樣中心區(qū)域。

 

圖4 10CrNi3MoV鋼缺口深度2mm試樣的斷口SEM形貌

 

     圖5，6為5083鋁合金光滑試樣和缺口試樣的斷口宏觀和SEM形貌，可見(jiàn)其光滑試樣的斷口呈典型的45°剪切破壞斷口特征，有一定的軸向變形和頸縮現(xiàn)象，斷后伸長(zhǎng)率為16.4%，斷面收縮率為21.7%，見(jiàn)圖5a)；缺口深度1mm的試樣的斷裂載荷為20.00 kN，超過(guò)光滑試樣的屈服載荷13.74kN，因此斷口處有明顯的塑性變形，斷口呈鋸齒狀，且有一定方向性，起裂位置為邊緣缺口處，起裂位置附近以纖維狀斷口為主，鋸齒狀的區(qū)域由纖維狀斷口和45°剪切斷口組成，見(jiàn)圖5b)和圖6a)，此外還可以看到明顯的剪切破壞區(qū)和具有正拉破壞特征的纖維區(qū)，見(jiàn)圖6b)和圖6c)；對(duì)于缺口深度2mm的試樣，其斷裂載荷為12.83kN，小于光滑試樣的屈服載荷，斷面收縮率幾乎為0，斷口主要呈纖維狀，見(jiàn)圖5c)、圖6d)和圖6e)，僅邊緣可以觀察到明顯的剪切破壞區(qū)，見(jiàn)圖6e)。

 

圖5 5083鋁合金光滑試樣和缺口試樣的宏觀形貌

 

圖6 5083鋁合金缺口試樣斷口SEM形貌

 

    圖7是500-7球墨鑄鐵光滑、缺口試樣宏觀形貌及光滑試樣斷口的SEM形貌。光滑試樣無(wú)明顯頸縮，但有一定的塑性變形，斷面收縮率為7.4%，見(jiàn)圖7a)；缺口試樣斷面收縮率幾乎為0，無(wú)塑性變形，見(jiàn)圖7b)和圖7c)；光滑試樣和缺口試樣斷口無(wú)明顯差異，均呈解理狀，屬于脆性斷口，光滑試樣斷口解理形貌見(jiàn)圖7d)。

 

圖7 500-7球墨鑄鐵拉伸試樣宏觀形貌及斷口SEM形貌

 

3 分析與討論

 

     缺口的存在使得試樣在拉伸過(guò)程中由均勻的單軸應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)椴痪鶆虻娜S應(yīng)力狀態(tài)，在缺口根部有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。缺口也會(huì)對(duì)尖端起到束縛作用，限制缺口尖端的變形。由于材料的塑性不同，缺口帶來(lái)的應(yīng)力集中和束縛在試樣整個(gè)塑性變形過(guò)程中演化狀態(tài)有很大差異，最終造成缺口對(duì)不同材料抗拉強(qiáng)度的影響程度不同。

 

     10CrNi3MoV鋼的塑性較好，光滑拉伸試樣具有良好的側(cè)向和軸向變形能力。對(duì)于缺口試樣，雖然存在缺口的束縛作用，但拉伸過(guò)程仍然有一定的塑性變形可緩沖缺口帶來(lái)的應(yīng)力集中。不同缺口深度的拉伸試樣的起裂位置均位于試樣中心，心部大面積的纖維區(qū)均為正拉斷裂特征的韌窩狀斷口，在拉伸塑性變形過(guò)程中，心部的軸向應(yīng)力超過(guò)材料本身的正拉斷裂抗力時(shí)會(huì)導(dǎo)致試樣起裂。而又因?yàn)槿?/span>

 

    口束縛了變形，切向的塑性變形對(duì)應(yīng)力釋放的貢獻(xiàn)較小，斷裂時(shí)整個(gè)斷口平面的應(yīng)力水平都很高，在裂紋由起裂向外擴(kuò)展的過(guò)程中，整個(gè)斷口都是因超過(guò)正拉斷裂抗力而破壞的韌窩狀斷口，僅在邊緣有少量的剪切唇，具有切向斷裂的特征。

 

     5083鋁合金光滑試樣斷口為典型的45°剪切斷口，有一定的軸向變形和頸縮現(xiàn)象。試樣缺口為1mm時(shí)，起裂位置位于試樣邊緣。拉伸試驗(yàn)過(guò)

 

    程中應(yīng)力超過(guò)屈服應(yīng)力時(shí)，試樣缺口附近開(kāi)始發(fā)生45°剪切變形，斷口在拉伸過(guò)程中持續(xù)縮小，剪應(yīng)變會(huì)沿45°方向發(fā)生在整個(gè)缺口截面，出現(xiàn)剪應(yīng)變位置的應(yīng)力有所釋放。而缺口尖端附近由于應(yīng)力集中且無(wú)法發(fā)生大量的剪切變形，軸向應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)缺口邊緣載荷超過(guò)斷裂抗力時(shí)，從邊緣處發(fā)生局部正拉破壞，軸向應(yīng)力隨后傳導(dǎo)至整個(gè)斷口，斷裂擴(kuò)展的過(guò)程試樣會(huì)沿已經(jīng)發(fā)生45°剪切變形的部分破壞，形成了鋸齒狀特征的斷口。試樣缺口為2mm時(shí)，起裂位置位于缺口截面塑性變形和彈性變形的交界區(qū)。由于缺口試樣斷裂時(shí)的應(yīng)力不超過(guò)屈服應(yīng)力，試樣未發(fā)生大面積的45°剪切方向的變形。缺口根部由于應(yīng)力集中，在所受應(yīng)力大于試樣屈服應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生少量的塑性變形，因?yàn)槿笨诘氖`作用及鋁合金滑移系運(yùn)動(dòng)特征，試樣無(wú)法在徑向發(fā)生大量的塑性變形，塑性變形區(qū)無(wú)法擴(kuò)展至試樣心部。因此在塑性變形區(qū)和彈性變形區(qū)交界處承受的力最大，當(dāng)最大力超過(guò)材料的斷裂抗力時(shí)，最大力處發(fā)生正拉破壞，隨后擴(kuò)展至整個(gè)缺口截面，斷口以正拉斷裂特征的韌窩狀為主。

 

     500-7球墨鑄鐵光滑試樣的斷口是垂直于受力方向的平斷口，有明顯的脆性特征。光滑試樣在拉伸過(guò)程中有一定的軸向和徑向變形，變形是最大剪應(yīng)力導(dǎo)致的。對(duì)于缺口試樣，在試樣邊緣形成了應(yīng)力集中，拉伸過(guò)程應(yīng)力會(huì)更早達(dá)到斷裂抗力而起裂，隨后迅速擴(kuò)展到整個(gè)截面。由于缺口的束縛狀態(tài)以及材料的脆性?xún)A向，試樣通過(guò)塑性變形緩解缺口附近應(yīng)力集中的能力較差，試樣從缺口處到心部所受的正應(yīng)力會(huì)有很大差異。

 

     形狀上的不連續(xù)一般都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。對(duì)于脆性材料，應(yīng)力集中往往容易造成試樣過(guò)早斷裂，導(dǎo)致強(qiáng)度下降；缺口的深度越大，根部的應(yīng)力集中程度就越高，試樣就會(huì)越早斷裂，抗拉強(qiáng)度越低。而塑性材料在缺口尖端可以通過(guò)一定程度的塑性變形緩解應(yīng)力集中，并對(duì)缺口截面重新進(jìn)行應(yīng)力分配，降低應(yīng)力集中。根據(jù)第三強(qiáng)度理論，最大剪應(yīng)力是導(dǎo)致材料發(fā)生塑性變形而破壞的主要因素，此時(shí)的正應(yīng)力遠(yuǎn)小于能使材料斷裂破壞的最大正應(yīng)力。對(duì)于缺口試樣，由于束縛狀態(tài)限制了材料沿最大剪應(yīng)力方向的變形，斷裂方式由切斷變?yōu)槔瓟?，抗拉?qiáng)度也會(huì)因此而提高。塑性越好的材料，通過(guò)塑性變形可以讓整個(gè)缺口應(yīng)力分布更均勻，整個(gè)缺口所在的截面更接近材料的理論拉斷強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度升高的越顯著。因此10CrNi3MoV鋼缺口試樣的抗拉強(qiáng)度較光滑試樣的提高最為明顯。而塑性不夠好或缺口束縛較大，應(yīng)變無(wú)法向心部擴(kuò)展，就會(huì)導(dǎo)致缺口截面破壞出現(xiàn)在彈性變形和塑性變形的交界處，斷裂前仍有部分界面受力還處于彈性區(qū)。因此5083鋁合金缺口試樣的抗拉強(qiáng)度較光滑試樣的升高，但升高程度小于10CrNi3MoV鋼的。另外缺口深度越深，更小的塑性變形就能讓試樣心部達(dá)到理論拉斷強(qiáng)度，缺口附近的強(qiáng)度降低更小，也會(huì)使得缺口試樣的抗拉強(qiáng)度升高。

 

4 結(jié)論

 

     (1) 缺口會(huì)導(dǎo)致材料在受力狀態(tài)下產(chǎn)生應(yīng)力集中。對(duì)于塑性較好的材料，可以通過(guò)缺口尖端的塑性變形，對(duì)缺口截面重新進(jìn)行應(yīng)力分配，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，不會(huì)降低材料的強(qiáng)度。對(duì)于脆性材料，缺口尖端塑性變形能力小，緩解應(yīng)力集中的作用不明顯，因此會(huì)因?yàn)閼?yīng)力集中導(dǎo)致材料局部破壞并擴(kuò)展至整個(gè)截面，降低材料的整體強(qiáng)度。

 

     (2) 缺口會(huì)改變塑性材料在變形過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)及斷裂方式。對(duì)于塑性材料，斷裂應(yīng)力由剪切應(yīng)力變?yōu)檎龖?yīng)力，斷裂方式則由剪切斷裂向軸向正拉破壞轉(zhuǎn)變，因此缺口往往會(huì)提高材料的抗拉強(qiáng)度，且塑性越好，正拉破壞的比例越高，抗拉強(qiáng)度提高的就越明顯。對(duì)于脆性材料，由于缺口應(yīng)力集中的作用，會(huì)導(dǎo)致斷裂時(shí)缺口根部到試樣心部的正應(yīng)力有很大的梯度，在根部先形成微裂紋，然后快速擴(kuò)展到心部，因此會(huì)降低材料的抗拉強(qiáng)度，而斷裂方式未發(fā)生改變。