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(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，機械、設(shè)備構(gòu)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(jié)構(gòu)的連續(xù)性，結(jié)構(gòu)的不連續(xù)現(xiàn)象會導致零部件在使用中局部位置出現(xiàn)應力集中[1-4]。工程中常將該類不連續(xù)結(jié)構(gòu)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(tài)發(fā)生改變[5-6]。如在拉伸過程中，缺口根部的應力狀態(tài)會由單向拉伸變?yōu)殡p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(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0.1 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(jié)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(jié)果

2.1 抗拉強度

3種材料的抗拉強度-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(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(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(fā)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(qū)面積逐漸增加。缺口深度為2 mm時，心部纖維區(qū)面積占比達到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，說明拉伸試樣的起裂位置位于試樣中心區(qū)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(xiàn)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(qū)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(qū)和具有正拉破壞特征的纖維區(qū)，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(qū),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(tài)變?yōu)椴痪鶆虻娜S應力狀態(tài)，在缺口根部有明顯的應力集中現(xiàn)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(tài)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(cè)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(qū)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(xiàn)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(fā)生45°剪切變形，斷口在拉伸過程中持續(xù)縮小，剪應變會沿45°方向發(fā)生在整個缺口截面，出現(xiàn)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(fā)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(fā)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(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(qū)。由于缺口試樣斷裂時的應力不超過屈服應力，試樣未發(fā)生大面積的45°剪切方向的變形。缺口根部由于應力集中，在所受應力大于試樣屈服應力時，會發(fā)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(fā)生大量的塑性變形，塑性變形區(qū)無法擴展至試樣心部。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，當最大力超過材料的斷裂抗力時，最大力處發(fā)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(tài)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(xù)一般都會產(chǎn)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(jù)第三強度理論，最大剪應力是導致材料發(fā)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(tài)限制了材料沿最大剪應力方向的變形，斷裂方式由切斷變?yōu)槔瓟?，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(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(jié)論

(1)缺口會導致材料在受力狀態(tài)下產(chǎn)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(xiàn)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(tài)及斷裂方式。對于塑性材料，斷裂應力由剪切應力變?yōu)檎龖Γ瑪嗔逊绞絼t由剪切斷裂向軸向正拉破壞轉(zhuǎn)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(fā)生改變。