缺口對不同塑性金屬材料拉伸斷裂行為的影響

徐魁龍, 張聰毅, 王迎輝, 王 磊

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所, 洛陽 471023)

金屬材料在熔煉、成形等過程中不可避免地會產生夾雜、偏析等內部缺陷，造成內部結構的不連續性，機械、設備構件中溝槽階、定位孔、棱角等的形狀也會影響零部件外表面結構的連續性，結構的不連續現象會導致零部件在使用中局部位置出現應力集中[1-4]。工程中常將該類不連續結構等效為“缺口”來考慮，這些缺口除了會造成材料的應力集中外，還會導致缺口根部的應力及變形狀態發生改變[5-6]。如在拉伸過程中，缺口根部的應力狀態會由單向拉伸變為雙向或三向拉伸，同時缺口尖端附近的塑性變形也被顯著約束[7-9]。

研究[10-11]表明，由于材料的塑性不同，缺口對材料斷裂行為的影響存在差異。鮮有學者直接對比不同塑性金屬材料缺口試樣的斷裂行為，為此，筆者對3種不同塑性的金屬材料分別進行了拉伸試驗，通過對比缺口試樣的抗拉強度及斷口形貌，研究了缺口對不同塑性材料抗拉強度和斷裂行為的影響。

1 試驗方法

試驗采用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 第1部分：室溫試驗方法》的技術要求加工成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0.1 mm，缺口根部直徑D分別為6，8，10 mm(對應缺口深度分別為2，1，0 mm，缺口深度為0 mm的試樣即為光滑試樣)，拉伸試樣的形狀及尺寸見圖1。拉伸試驗在INSTRON 5982型(100 kN)電子萬能試驗機上進行，拉伸速度為1 mm·min-1。3種材料光滑試樣的拉伸試驗結果見表1，可見3種材料的斷后伸長率A有較大差異，10CrNi3MoV鋼的斷后伸長率大于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度見表2，可見10CrNi3MoV鋼和5083鋁合金缺口試樣的抗拉強度都較光滑試樣的高，500-7球墨鑄鐵缺口試樣的抗拉強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度

圖1 拉伸試樣形狀及尺寸示意圖

2 試驗結果

2.1 抗拉強度

3種材料的抗拉強度-缺口深度關系曲線如圖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2 mm時，前者的抗拉強度為光滑試樣的1.74倍，后者的為1.31倍。對于500-7球墨鑄鐵而言，抗拉強度與缺口深度的關系呈與10CrNi3MoV鋼、5083鋁合金相反的規律，即隨著缺口深度的增加，其抗拉強度降低，缺口深度為2 mm時抗拉強度為光滑試樣的0.92倍。

圖2 不同塑性金屬試樣的抗拉強度-缺口深度關系曲線圖

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，可見光滑試樣斷口呈典型的杯錐狀，該試樣斷后伸長率為27.5%,斷面收縮率為78.1%，塑性良好;缺口試樣發生了頸縮，缺口深度2 mm的試樣的斷面收縮率為33%。隨著缺口深度的增加，斷口邊緣剪切唇的面積逐漸減小，心部纖維區面積逐漸增加。缺口深度為2 mm時，心部纖維區面積占比達到90%，如圖4a)所示。圖4b)為圖4a)箭頭所示區域SEM形貌，從圖中可以看出，試樣心部纖維區為具有正拉斷裂特征的韌窩狀斷口，說明拉伸試樣的起裂位置位于試樣中心區域。

圖3 10CrNi3MoV鋼光滑試樣和缺口試樣的宏觀形貌

圖4 10CrNi3MoV鋼缺口深度2 mm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象，斷后伸長率為16.4%，斷面收縮率為21.7%,見圖5a);缺口深度1 mm的試樣的斷裂載荷為20.00 kN，超過光滑試樣的屈服載荷13.74 kN，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，鋸齒狀的區域由纖維狀斷口和45°剪切斷口組成，見圖5b)和圖6a)，此外還可以看到明顯的剪切破壞區和具有正拉破壞特征的纖維區，見圖6b)和圖6c)；對于缺口深度2 mm的試樣，其斷裂載荷為12.83 kN，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，見圖5c)、圖6d)和圖6e)，僅邊緣可以觀察到明顯的剪切破壞區,見圖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。光滑試樣無明顯頸縮，但有一定的塑性變形，斷面收縮率為7.4%，見圖7a)；缺口試樣斷面收縮率幾乎為0，無塑性變形,見圖7b)和圖7c)；光滑試樣和缺口試樣斷口無明顯差異，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程中由均勻的單軸應力狀態變為不均勻的三軸應力狀態，在缺口根部有明顯的應力集中現象。缺口也會對尖端起到束縛作用，限制缺口尖端的變形。由于材料的塑性不同，缺口帶來的應力集中和束縛在試樣整個塑性變形過程中演化狀態有很大差異，最終造成缺口對不同材料抗拉強度的影響程度不同。

10CrNi3MoV鋼的塑性較好，光滑拉伸試樣具有良好的側向和軸向變形能力。對于缺口試樣，雖然存在缺口的束縛作用，但拉伸過程仍然有一定的塑性變形可緩沖缺口帶來的應力集中。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均為正拉斷裂特征的韌窩狀斷口，在拉伸塑性變形過程中，心部的軸向應力超過材料本身的正拉斷裂抗力時會導致試樣起裂。而又因為缺口束縛了變形，切向的塑性變形對應力釋放的貢獻較小，斷裂時整個斷口平面的應力水平都很高，在裂紋由起裂向外擴展的過程中，整個斷口都是因超過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象。試樣缺口為1 mm時，起裂位置位于試樣邊緣。拉伸試驗過程中應力超過屈服應力時，試樣缺口附近開始發生45°剪切變形，斷口在拉伸過程中持續縮小，剪應變會沿45°方向發生在整個缺口截面，出現剪應變位置的應力有所釋放。而缺口尖端附近由于應力集中且無法發生大量的剪切變形，軸向應力逐漸增大，當缺口邊緣載荷超過斷裂抗力時，從邊緣處發生局部正拉破壞，軸向應力隨后傳導至整個斷口，斷裂擴展的過程試樣會沿已經發生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2 mm時，起裂位置位于缺口截面塑性變形和彈性變形的交界區。由于缺口試樣斷裂時的應力不超過屈服應力，試樣未發生大面積的45°剪切方向的變形。缺口根部由于應力集中，在所受應力大于試樣屈服應力時，會發生少量的塑性變形，因為缺口的束縛作用及鋁合金滑移系運動特征，試樣無法在徑向發生大量的塑性變形，塑性變形區無法擴展至試樣心部。因此在塑性變形區和彈性變形區交界處承受的力最大，當最大力超過材料的斷裂抗力時，最大力處發生正拉破壞，隨后擴展至整個缺口截面，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。光滑試樣在拉伸過程中有一定的軸向和徑向變形，變形是最大剪應力導致的。對于缺口試樣，在試樣邊緣形成了應力集中，拉伸過程應力會更早達到斷裂抗力而起裂，隨后迅速擴展到整個截面。由于缺口的束縛狀態以及材料的脆性傾向，試樣通過塑性變形緩解缺口附近應力集中的能力較差，試樣從缺口處到心部所受的正應力會有很大差異。

形狀上的不連續一般都會產生應力集中。對于脆性材料，應力集中往往容易造成試樣過早斷裂，導致強度下降；缺口的深度越大，根部的應力集中程度就越高，試樣就會越早斷裂，抗拉強度越低。而塑性材料在缺口尖端可以通過一定程度的塑性變形緩解應力集中，并對缺口截面重新進行應力分配，降低應力集中。根據第三強度理論，最大剪應力是導致材料發生塑性變形而破壞的主要因素，此時的正應力遠小于能使材料斷裂破壞的最大正應力。對于缺口試樣，由于束縛狀態限制了材料沿最大剪應力方向的變形，斷裂方式由切斷變為拉斷，抗拉強度也會因此而提高。塑性越好的材料，通過塑性變形可以讓整個缺口應力分布更均勻，整個缺口所在的截面更接近材料的理論拉斷強度，抗拉強度升高的越顯著。因此10CrNi3MoV鋼缺口試樣的抗拉強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，應變無法向心部擴展，就會導致缺口截面破壞出現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。因此5083鋁合金缺口試樣的抗拉強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到理論拉斷強度，缺口附近的強度降低更小，也會使得缺口試樣的抗拉強度升高。

4 結論

(1)缺口會導致材料在受力狀態下產生應力集中。對于塑性較好的材料，可以通過缺口尖端的塑性變形，對缺口截面重新進行應力分配，緩解應力集中現象，不會降低材料的強度。對于脆性材料，缺口尖端塑性變形能力小，緩解應力集中的作用不明顯，因此會因為應力集中導致材料局部破壞并擴展至整個截面，降低材料的整體強度。

(2)缺口會改變塑性材料在變形過程中的應力狀態及斷裂方式。對于塑性材料，斷裂應力由剪切應力變為正應力，斷裂方式則由剪切斷裂向軸向正拉破壞轉變，因此缺口往往會提高材料的抗拉強度，且塑性越好，正拉破壞的比例越高，抗拉強度提高的就越明顯。對于脆性材料，由于缺口應力集中的作用，會導致斷裂時缺口根部到試樣心部的正應力有很大的梯度，在根部先形成微裂紋，然后快速擴展到心部，因此會降低材料的抗拉強度，而斷裂方式未發生改變。