Page 31 - 理化检验-物理分册2021年第九期

徐魁龙, 等: 缺口对不同塑性金属材料拉伸断裂行为的影响

程中应力超过屈服应力时, 试样缺口附近开始发生 因此 10CrNi3MoV 钢缺口试样的抗拉强度较光滑
45° 剪切变形, 断口在拉伸过程中持续缩小, 剪应变 试样的提高最为明显。而塑性不够好或缺口束缚较
会沿 45° 方向发生在整个缺口截面, 出现剪应变位 大, 应变无法向心部扩展, 就会导致缺口截面破坏出
置的应力有所释放。而缺口尖端附近由于应力集中 现在弹性变形和塑性变形的交界处, 断裂前仍有部
且无法发生大量的剪切变形, 轴向应力逐渐增大, 当 分界面受力还处于弹性区。因此5083铝合金缺口
缺口边缘载荷超过断裂抗力时, 从边缘处发生局部 试样的抗拉强度较光滑试样的升高, 但升高程度小
正拉破坏, 轴向应力随后传导至整个断口, 断裂扩展 于10CrNi3MoV 钢的。另外缺口深度越深, 更小的
的过程试样会沿已经发生 45° 剪切变形的部分破 塑性变形就能让试样心部达到理论拉断强度, 缺口
附近的强度降低更小, 也会使得缺口试样的抗拉强
坏, 形成了锯齿状特征的断口。试样缺口为 2mm
时, 起裂位置位于缺口截面塑性变形和弹性变形的 度升高。
交界区。由于缺口试样断裂时的应力不超过屈服应 4 结论
力, 试样未发生大面积的 45° 剪切方向的变形。缺

口根部由于应力集中, 在所受应力大于试样屈服应 ( 1 )缺口会导致材料在受力状态下产生应力集
力时, 会发生少量的塑性变形, 因为缺口的束缚作用 中。对于塑性较好的材料, 可以通过缺口尖端的塑
及铝合金滑移系运动特征, 试样无法在径向发生大 性变形, 对缺口截面重新进行应力分配, 缓解应力集
中现象, 不会降低材料的强度。对于脆性材料, 缺口
量的塑性变形, 塑性变形区无法扩展至试样心部。
因此在塑性变形区和弹性变形区交界处承受的力最 尖端塑性变形能力小, 缓解应力集中的作用不明显,
大, 当最大力超过材料的断裂抗力时, 最大力处发生 因此会因为应力集中导致材料局部破坏并扩展至整
正拉破坏, 随后扩展至整个缺口截面, 断口以正拉断 个截面, 降低材料的整体强度。

( 2 )缺口会改变塑性材料在变形过程中的应力
裂特征的韧窝状为主。
状态及断裂方式。对于塑性材料, 断裂应力由剪切应
500-7球墨铸铁光滑试样的断口是垂直于受力
力变为正应力, 断裂方式则由剪切断裂向轴向正拉破
方向的平断口, 有明显的脆性特征。光滑试样在拉
坏转变, 因此缺口往往会提高材料的抗拉强度, 且塑
伸过程中有一定的轴向和径向变形, 变形是最大剪
性越好, 正拉破坏的比例越高, 抗拉强度提高的就越
应力导致的。对于缺口试样, 在试样边缘形成了应
明显。对于脆性材料, 由于缺口应力集中的作用, 会
力集中, 拉伸过程应力会更早达到断裂抗力而起裂,
导致断裂时缺口根部到试样心部的正应力有很大的
随后迅速扩展到整个截面。由于缺口的束缚状态以
梯度, 在根部先形成微裂纹, 然后快速扩展到心部, 因
及材料的脆性倾向, 试样通过塑性变形缓解缺口附
近应力集中的能力较差, 试样从缺口处到心部所受 此会降低材料的抗拉强度, 而断裂方式未发生改变。
的正应力会有很大差异。 参考文献:
形状上的不连续一般都会产生应力集中。对于
[ 1 ] 虞忠良, 赵永庆, 周廉, 等. 缺口对 TC21 合金高周和
脆性材料, 应力集中往往容易造成试样过早断裂, 导
低周疲劳的影响[ J ] . 稀有金属材料与工程, 2007 , 36
致强度下降; 缺口的深度越大, 根部的应力集中程度
( 9 ): 1523-1526.
就越高, 试样就会越早断裂, 抗拉强度越低。而塑性
[ 2 ] HARITOSG.NotchsizeeffectsinHCFbehaviorof
材料在缺口尖端可以通过一定程度的塑性变形缓解 Ti-6Al-4V [ J ] .InternationalJournalofFati g ue , 1999 ,

应力集中, 并对缺口截面重新进行应力分配, 降低应 21 ( 7 ): 643-652.
力集中。根据第三强度理论, 最大剪应力是导致材 [ 3 ] 黄嘉乐, 钱锟, 韩波.10.9级高强螺栓头部断裂原因分
料发生塑性变形而破坏的主要因素, 此时的正应力 析[ J ] . 理化检验( 物理分册), 2019 , 55 ( 10 ): 718-721.
[ 4 ] 蒋先万. 调速器步进电机轴断裂失效分析[ J ] . 理化检
远小于能使材料断裂破坏的最大正应力。对于缺口
试样, 由于束缚状态限制了材料沿最大剪应力方向 验( 物理分册), 2019 , 55 ( 10 ): 725-729.

[ 5 ] WANGQY , BATHIASC , KAWAGOISHIN , etal.
的变形, 断裂方式由切断变为拉断, 抗拉强度也会因
Effectofinclusiononsubsurfacecrackinitiationand
此而提高。塑性越好的材料, 通过塑性变形可以让
g i g ac y clefati g uestren g th [ J ] .InternationalJournalof
整个缺口应力分布更均匀, 整个缺口所在的截面更
Fati g ue , 2002 , 24 ( 12 ): 1269-1274.
接近材料的理论拉断强度, 抗拉强度升高的越显著。 ( 下转第19页)
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