[科普中國]-缺口效應(yīng)

簡介

眾所周知, 缺口的存在影響金屬材料的彈性變形、塑性變形和斷裂過程, 缺口效應(yīng)通常表現(xiàn)如下:

1.缺口造成應(yīng)力應(yīng)變集中;

2.改變?nèi)笨谇胺降膽?yīng)力狀態(tài), 使應(yīng)力由原來的單向拉伸改為兩向或三向拉伸;

3. 造成缺口強(qiáng)化現(xiàn)象, 即雖然缺口提高塑性材料的強(qiáng)度, 但因缺口約束材料塑性變形, 使材料塑性降低, 因此缺口使塑性材料得到強(qiáng)化。

在金屬材料缺口拉伸試驗(yàn)過程中, 深入探討塑性金屬材料試樣不同截面處的塑性變形規(guī)律及其他常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo), 將有助于對缺口效應(yīng)的理解1。

缺口效應(yīng)原理缺口效應(yīng)是指集中應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度時，引起的缺口根部附近區(qū)域的塑性變形。即缺口造成應(yīng)力的集中，這是缺口的第一個效應(yīng)。

缺口改變了缺口前方的應(yīng)力狀態(tài)，使平板中材料所受的應(yīng)力由原來的單向拉伸改變?yōu)閮上蚧蛉蚶欤@是缺口的第二個效應(yīng)。

試樣的屈服應(yīng)力比單向拉伸時的要高，即產(chǎn)生了所謂缺口“強(qiáng)化”現(xiàn)象。缺口使塑性材料得到“強(qiáng)化”，這是缺口的第三個效應(yīng)。

缺口效應(yīng)現(xiàn)象在塑料制品中切槽、鉆孔、攻絲等加工時，對此部位施加應(yīng)力，容易引起應(yīng)力集中，造成破壞的現(xiàn)象。

缺口效應(yīng)影響的程度，稱為缺口敏感度=有缺口時強(qiáng)度/無缺口時強(qiáng)度。缺口敏感度隨塑料種類而異，也受溫度、缺口形狀、荷重速度的影響2。

缺口效應(yīng)案例分析某鑄件在檢測中一度出現(xiàn)拉伸試驗(yàn)不合格情況，經(jīng)調(diào)查分析后認(rèn)為是試樣本身產(chǎn)生了應(yīng)力集中造成的，后改進(jìn)制樣方法，使問題得到了解決。

現(xiàn)象零件材料為Q T 6 0 0 － 3 ， 技術(shù)要求R m ≥600MPa，A≥3%。在前一段時間，試驗(yàn)中多次出現(xiàn)試樣斷在標(biāo)距上或標(biāo)距外（甚至在過渡部分）。

分析查看這些鑄件的化學(xué)成分報告，是符合標(biāo)準(zhǔn)要求的。生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境條件和工藝方法也符合技術(shù)要求。仔細(xì)觀察試樣的斷口，存在一個普遍現(xiàn)象：斷面經(jīng)過“樣沖眼”處。樣沖眼是確定試樣標(biāo)距時打上去的。

把拉斷的試樣對接起來可以看到，樣沖眼較大、較深，這相當(dāng)于在光滑試樣上有了“缺口”。相關(guān)資料顯示，缺口的存在改變了試樣的受力條件，造成硬性的應(yīng)力狀態(tài)，不利于材料的塑性變形，會使材料趨向、甚至處于脆性狀態(tài)，同時還在試樣上缺口的根部引起應(yīng)力集中。因此可以認(rèn)為，缺口是造成硬性應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力集中，以及降低材料韌性的一個脆化因素。

因?yàn)樵诖嘈誀顟B(tài)下，當(dāng)平均應(yīng)力較低時，缺口尖端的最大應(yīng)力有可能達(dá)到材料的斷裂抗力，促進(jìn)了裂紋的生成和擴(kuò)張，從而引起早期脆性斷裂。缺口使脆性狀態(tài)下的材料強(qiáng)度降低。

對于塑性好的材料，在拉伸時整體金屬能均勻變形，應(yīng)力集中不明顯；而塑性差的材料（如鑄鐵件），整體變形能力差，應(yīng)力不能均勻釋放而在薄弱截面產(chǎn)生應(yīng)力集中（如零件的不通孔或臺肩處，試樣從光滑部分過渡到端部時）。因此，在拉伸試驗(yàn)時會在過渡部分?jǐn)嚅_。

有研究認(rèn)為，在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力集中程度不僅與缺口尖銳度有關(guān)，也與缺口深度相關(guān)。尖銳度和深度相同的缺口，會在試樣內(nèi)引起更大的應(yīng)力集中效應(yīng)。

經(jīng)分析，找到了斷裂的原因：試樣打樣沖眼處的“缺口”產(chǎn)生了應(yīng)力集中，導(dǎo)致早期脆性斷裂。隨后又重新送試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用劃針畫線來確定試樣標(biāo)距，試驗(yàn)結(jié)果完全符合技術(shù)要求，恢復(fù)了正常生產(chǎn)3。

結(jié)論和措施（1）試樣上的缺口效應(yīng)導(dǎo)致早期脆性斷裂。

（2）在加工制作試樣時，不打樣沖眼，而是涂畫標(biāo)距線。

另外，一定要保證試樣表面質(zhì)量（光滑無紋痕）和尺寸精度，試驗(yàn)時一定要對正中心。如果試樣有了缺口或偏斜，將會改變試樣的應(yīng)力狀態(tài)，從而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。

在這種情況下A