缺口效應[由應力達到材料屈服強度而引起根部塑性變形]

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, 缺口效應通常表現如下:

1.缺口造成應力應變集中;

2.改變缺口前方的應力狀態, 使應力由原來的單向拉伸改為兩向或三向拉伸;

3. 造成缺口強化現象, 即雖然缺口提高塑性材料的強度, 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化。

在金屬材料缺口拉伸試驗過程中, 深入探討塑性金屬材料試樣不同截面處的塑性變形規律及其他常規力學性能指標, 將有助於對缺口效應的理解 。

缺口效應原理

缺口效應是指集中應力達到材料的屈服強度時，引起的缺口根部附近區域的塑性變形。即缺口造成應力的集中，這是缺口的第一個效應。

缺口改變了缺口前方的應力狀態，使平板中材料所受的應力由原來的單向拉伸改變為兩向或三向拉伸，這是缺口的第二個效應。

試樣的屈服應力比單向拉伸時的要高，即產生了所謂缺口“強化”現象。缺口使塑性材料得到“強化”，這是缺口的第三個效應。

缺口效應現象

在塑膠製品中切槽、鑽孔、攻絲等加工時，對此部位施加應力，容易引起應力集中，造成破壞的現象。

缺口效應影響的程度，稱為缺口敏感度=有缺口時強度/無缺口時強度。缺口敏感度隨塑膠種類而異，也受溫度、缺口形狀、荷重速度的影響 。

缺口效應案例分析

某鑄件在檢測中一度出現拉伸試驗不合格情況，經調查分析後認為是試樣本身產生了應力集中造成的，後改進制樣方法，使問題得到了解決。

現象

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

分析

查看這些鑄件的化學成分報告，是符合標準要求的。生產現場環境條件和工藝方法也符合技術要求。仔細觀察試樣的斷口，存在一個普遍現象：斷面經過“樣沖眼”處。樣沖眼是確定試樣標距時打上去的。

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

因為在脆性狀態下，當平均應力較低時，缺口尖端的最大應力有可能達到材料的斷裂抗力，促進了裂紋的生成和擴張，從而引起早期脆性斷裂。缺口使脆性狀態下的材料強度降低。

對於塑性好的材料，在拉伸時整體金屬能均勻變形，應力集中不明顯；而塑性差的材料（如鑄鐵件），整體變形能力差，應力不能均勻釋放而在薄弱截面產生應力集中（如零件的不通孔或台肩處，試樣從光滑部分過渡到端部時）。因此，在拉伸試驗時會在過渡部分斷開。

有研究認為，在彈性範圍內，應力集中程度不僅與缺口尖銳度有關，也與缺口深度相關。尖銳度和深度相同的缺口，會在試樣內引起更大的應力集中效應。

經分析，找到了斷裂的原因：試樣打樣沖眼處的“缺口”產生了應力集中，導致早期脆性斷裂。隨後又重新送試件進行拉伸試驗，採用劃針畫線來確定試樣標距，試驗結果完全符合技術要求，恢復了正常生產 。

結論和措施

（1）試樣上的缺口效應導致早期脆性斷裂。

（2）在加工製作試樣時，不打樣沖眼，而是塗畫標距線。

另外，一定要保證試樣表面質量（光滑無紋痕）和尺寸精度，試驗時一定要對正中心。如果試樣有了缺口或偏斜，將會改變試樣的應力狀態，從而影響試驗數據的正確性。

在這種情況下A<3%，達不到要求。即使重新熱處理後送樣試驗，仍然在這些位置斷開 。