[科普中國(guó)]-缺口敏感性

缺口敏感性簡(jiǎn)介

對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，缺口總是降低塑性，增大脆性。金屬材料存在缺口而造成三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力一應(yīng)變集中，由此而使材料產(chǎn)生變脆的傾向，這種效果稱為缺口敏感性。一般采用缺口試樣力學(xué)性能試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)材料的缺口敏感性。常用的缺口試樣力學(xué)性能試驗(yàn)方法有缺口靜拉伸和缺口偏斜拉伸、缺口靜彎曲等。

通常，用光滑試樣的抗拉強(qiáng)度σb和缺口試樣的抗拉強(qiáng)度σbH的比值作為缺口敏感性的指標(biāo)，即 。當(dāng)qe1時(shí)，說(shuō)明缺口處還未明顯發(fā)生塑性變形擴(kuò)展就早期斷裂，表示缺口敏感。qe越大，缺口敏感性也越大。一般，缺口敏感性越大，材料的斷裂韌性也越低。1

缺口彎曲試驗(yàn)也可以顯示材料的缺口敏感性。由于缺口和彎曲引起的不均勻性疊加，所以缺口彎曲較缺口拉伸應(yīng)力一應(yīng)變分布不均勻性要大。這種方法一般根據(jù)斷裂時(shí)的殘余撓度或彎曲破斷點(diǎn)（裂紋出現(xiàn)）的位置評(píng)定材料的缺口敏感性。

如果缺口存在改變了材料的凈截面強(qiáng)度（σn）（按剩余的截面積計(jì)算，但是缺口的應(yīng)力集中效應(yīng)忽略不計(jì)），則可以認(rèn)為該材料是缺口敏感的。對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，在高延展性材料上加缺口，由于塑性限制作用提高，可能使缺口強(qiáng)化；或者由于缺口的應(yīng)力集中效應(yīng)，對(duì)變形能力有限的材料來(lái)說(shuō)，可能導(dǎo)致缺口弱化。然而，對(duì)膠凝材料來(lái)說(shuō)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)缺口強(qiáng)化效應(yīng)。因此，決口敏感性這個(gè)術(shù)語(yǔ)僅僅指由于缺口存在，可能降低σn值。于是假定，缺口不敏感的材料，或材料內(nèi)的最大裂縫小于臨界裂縫長(zhǎng)度，則該材料可以用古典力學(xué)分析；缺口敏感的材料，必須用斷裂力學(xué)的原理分析。因此，Ziegeldoff等人已經(jīng)證明，缺口敏感性是應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)的必要條件（雖然不是充分條件），他們?yōu)槿笨诿舾行裕ň蛷澢鷣?lái)說(shuō)）推導(dǎo)出下列公式：2

式中σ是無(wú)缺口試件的強(qiáng)度。

材料是否存在缺口敏感性，主要取決于其在試驗(yàn)條件下是否具有良好的持久塑性。這是因?yàn)槿笨诟扛浇嬖谥驊?yīng)力狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。這個(gè)應(yīng)力集中是趨于緩和還是加劇，很大程度上取決于材料當(dāng)時(shí)的塑性情況，而這個(gè)塑性則通常是由光滑試樣上測(cè)得的持久塑性來(lái)體現(xiàn)的。對(duì)此可作如下說(shuō)明：

1.對(duì)蠕變脆性材料而言，缺口根部的應(yīng)力集中不易因塑性變形而松弛，因應(yīng)力集中形成的三向應(yīng)力狀態(tài)便容易促成蠕變裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而降低斷裂時(shí)間和強(qiáng)度，故呈現(xiàn)缺口弱化，即具有缺口敏感性。

2.對(duì)蠕變塑性材料而言，缺口根部附近的應(yīng)力集中可以很快地由于塑性變形而松弛，三向應(yīng)力狀態(tài)非但不能加快相反還有可能減慢蠕變裂紋萌生和擴(kuò)展。（這與在室溫下三向應(yīng)力狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度比單軸拉伸時(shí)高得多有某些相似之處。）因而此時(shí)會(huì)呈現(xiàn)缺口強(qiáng)化。

3.當(dāng)上述兩者處于平衡狀態(tài)時(shí)，材料表現(xiàn)出無(wú)缺口影響的情況。

應(yīng)該指出，存在缺口會(huì)使材料的蠕變塑性（或稱持久塑性）降低，這主要是由于應(yīng)力狀態(tài)的改變而引起的。然而也并不是在所有情況下，塑性的降低均伴隨有持久強(qiáng)度的降低。

材料的缺口敏感性除和材料本身性能、應(yīng)力狀態(tài)（加載方式）有關(guān)外，尚與缺口形狀、尺寸和試驗(yàn)溫度有關(guān)。缺口尖端曲率半徑越小，缺口越深，材料對(duì)缺口的敏感性也越大。缺口類型相同，增加試樣截面尺寸。缺口敏感性也增加，這是由于尺寸較大，試驗(yàn)彈性能儲(chǔ)存較高所致。降低溫度，尤其對(duì)bcc（體心立方晶格）金屬，缺口敏感性急劇增大。因此，應(yīng)在相同條件下，對(duì)比不同材料的缺口敏感性。

各種因素對(duì)缺口敏感性的影響加載方式加載方式對(duì)缺口試樣性能的影響遠(yuǎn)大于對(duì)光滑試樣的影響。

在拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲四種基本加載方式中，壓縮對(duì)缺口試樣來(lái)說(shuō)意義不大，因?yàn)樵跊](méi)有拉應(yīng)力（或其所占比例不大）的條件下，缺口敏感性一般顯現(xiàn)不出來(lái)。

軸向拉伸下缺口的影響研究得最多。這時(shí)，軸向應(yīng)力分布的不均勻性具有決定的意義，因?yàn)榍∏∈沁@類應(yīng)力在試樣缺口根部的表面處具有最大數(shù)值；而在試樣內(nèi)部的多向應(yīng)力狀態(tài)，顯然在表面開(kāi)始脆性斷裂時(shí)不起作用。所以對(duì)于直接由彈性范圍過(guò)渡到斷裂的脆性材料，應(yīng)該觀察到缺口試樣的強(qiáng)度比同一截面尺寸的光滑試樣為低，其降低的程度相當(dāng)子理論應(yīng)力集中系數(shù)。酚醛塑料斷裂試驗(yàn)表明，應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算值與光學(xué)方法測(cè)定值十分接近。至于塑性材料，則觀察到應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化：試樣表面較早地過(guò)渡到塑性范圍，且軸向應(yīng)力的最大值由表面向心部轉(zhuǎn)移。如果變形量相當(dāng)大，則心部除應(yīng)力不均勻性減小外，還存在著應(yīng)力多向性的影響。切應(yīng)力的最大值是否也向心部轉(zhuǎn)移，這一點(diǎn)尚不清楚。

缺口幾何參數(shù)缺口圓角半徑和深度的影響與材料的狀態(tài)及加載方式有關(guān)。如σb為100~120公斤力/mm2等級(jí)的淬火高溫回火狀態(tài)鋼，當(dāng)缺口圓角半徑rH大于0.1毫米（或更小些）時(shí)，缺口試樣的強(qiáng)度與rH的關(guān)系很小。而σb為170~180公斤力/mm2等級(jí)的鋼，卻對(duì)缺口尖銳度十分敏感，尖缺口比鈍缺口更能明顯地揭示出脆性狀態(tài)。因此，出現(xiàn)了提高機(jī)械性能試驗(yàn)缺口尖銳度的趨向。如Ⅳ型沖擊試樣，其缺口根部的圓角半徑rH為0.25毫米，相當(dāng)于英美等國(guó)采用的夏氏－V型試樣的rH值。

試樣絕對(duì)尺寸的影響如果加大試樣直徑，而缺口形狀和尺寸都不變，則如前所述，同樣的缺口對(duì)大試樣就顯得較尖了。幾何相似喪失后，隨試樣尺寸加大，缺口敏感性一般也相應(yīng)增大。

試驗(yàn)溫度的影響提高試驗(yàn)溫度（特別是處于熱脆溫度區(qū)）對(duì)缺口試樣的性能有很大影響。特別是對(duì)于各種結(jié)構(gòu)用鋼及合金已多次研究過(guò)降低試驗(yàn)溫度對(duì)缺口試樣靜載性能的影響，照例，降低試驗(yàn)溫度，缺口試樣的塑性劇烈減小，某些情況下以條件應(yīng)力表示的靜強(qiáng)度也下降。3

缺口持久強(qiáng)度試驗(yàn)缺口幾何尺寸對(duì)材料缺口敏感性有很大影響，因此為了測(cè)定材料在一定的試驗(yàn)條件下的缺口敏感性，特別是為了使測(cè)定結(jié)果具有通用可比性，必須對(duì)試樣尺寸及缺口幾何作出統(tǒng)一的規(guī)定。表4-6所列數(shù)據(jù)，為某些國(guó)家的試樣情況。其中關(guān)于中國(guó)的數(shù)據(jù)，為我國(guó)航空工業(yè)部的標(biāo)準(zhǔn)。

然而，我國(guó)冶金工業(yè)部1977年頒布的冶金部標(biāo)準(zhǔn)YB899-77則規(guī)定缺口根部半徑礦為0.15mm，缺口處截面直徑為5mm，非缺口部位直徑為7mm，計(jì)算長(zhǎng)度為25mm。試樣如圖所示。

缺口試樣持久強(qiáng)度試驗(yàn)與光滑試樣的基本相同。溫度測(cè)量時(shí)要注意準(zhǔn)確測(cè)定缺口根部的溫度。同時(shí)，缺口試樣的偏心影響比光滑試樣的大，因此應(yīng)保證試驗(yàn)機(jī)有較好的同心度。4