图1 拉伸试样形状及尺寸示意图

     拉伸试验在电子万能试验机上进行,拉伸速度为1mm·min^-1。3种材料光滑试样的拉伸试验结果见表1,可见3种材料的断后伸长率A有较大差异,10CrNi3MoV钢的断后伸长率大于5083铝合金、500-7球墨铸铁的。3种材料光滑试样及缺口试样的抗拉强度见表2,可见10CrNi3MoV钢和5083铝,合金缺口试样的抗拉强度都较光滑试样的高,500-7球墨铸铁缺口试样的抗拉强度较光滑试样的降低。

表1 3种材料光滑试样的拉伸性能

表2 3种材料光滑试样及缺口试样的抗拉强度

     3种材料的抗拉强度-缺口深度关系曲线如图2所示。由图2可知,随着缺口深度的增加,10CrNi3MoV钢、5083铝合金的抗拉强度均增大,其中,10CrNi3MoV钢的增大幅度高于5083铝合金的,如缺口深度为2mm时,前者的抗拉强度为光滑试样的1.74倍,后者的为1.31倍。对于500-7球墨铸铁而言,抗拉强度与缺口深度的关系呈与10CrNi3MoV钢、5083铝合金相反的规律,即随着缺口深度的增加,其抗拉强度降低,缺口深度为2mm时抗拉强度为光滑试样的0.92倍。

图2 不同塑性金属试样的抗拉强度-缺口深度关系曲线图

2.2 断口形貌

     图3为10CrNi3MoV钢光滑试样和不同深度缺口试样的断口宏观形貌,可见光滑试样断口呈典型的杯锥状,该试样断后伸长率为27.5%,断面收缩率为78.1%,塑性良好;缺口试样发生了颈缩,缺口深度2mm的试样的断面收缩率为33%。

图3 10CrNi3MoV钢光滑试样和缺口试样的宏观形貌

      随着缺口深度的增加,断口边缘剪切唇的面积逐渐减小,心部纤维区面积逐渐增加。缺口深度为2mm时,心部纤维区面积占比达到90%,如图4a)所示。图4b)为图4a)箭头所示区域SEM形貌,从图中可以看出,试样心部纤维区为具有正拉断裂特征的韧窝状断口,说明拉伸试样的起裂位置位于试样中心区域。

图4 10CrNi3MoV钢缺口深度2mm试样的断口SEM形貌

     图5,6为5083铝合金光滑试样和缺口试样的断口宏观和SEM形貌,可见其光滑试样的断口呈典型的45°剪切破坏断口特征,有一定的轴向变形和颈缩现象,断后伸长率为16.4%,断面收缩率为21.7%,见图5a);缺口深度1mm的试样的断裂载荷为20.00 kN,超过光滑试样的屈服载荷13.74kN,因此断口处有明显的塑性变形,断口呈锯齿状,且有一定方向性,起裂位置为边缘缺口处,起裂位置附近以纤维状断口为主,锯齿状的区域由纤维状断口和45°剪切断口组成,见图5b)和图6a),此外还可以看到明显的剪切破坏区和具有正拉破坏特征的纤维区,见图6b)和图6c);对于缺口深度2mm的试样,其断裂载荷为12.83kN,小于光滑试样的屈服载荷,断面收缩率几乎为0,断口主要呈纤维状,见图5c)、图6d)和图6e),仅边缘可以观察到明显的剪切破坏区,见图6e)。

图5 5083铝合金光滑试样和缺口试样的宏观形貌

图6 5083铝合金缺口试样断口SEM形貌

    图7是500-7球墨铸铁光滑、缺口试样宏观形貌及光滑试样断口的SEM形貌。光滑试样无明显颈缩,但有一定的塑性变形,断面收缩率为7.4%,见图7a);缺口试样断面收缩率几乎为0,无塑性变形,见图7b)和图7c);光滑试样和缺口试样断口无明显差异,均呈解理状,属于脆性断口,光滑试样断口解理形貌见图7d)。

图7 500-7球墨铸铁拉伸试样宏观形貌及断口SEM形貌

     10CrNi3MoV钢的塑性较好,光滑拉伸试样具有良好的侧向和轴向变形能力。对于缺口试样,虽然存在缺口的束缚作用,但拉伸过程仍然有一定的塑性变形可缓冲缺口带来的应力集中。不同缺口深度的拉伸试样的起裂位置均位于试样中心,心部大面积的纤维区均为正拉断裂特征的韧窝状断口,在拉伸塑性变形过程中,心部的轴向应力超过材料本身的正拉断裂抗力时会导致试样起裂。而又因为缺

口束缚了变形,切向的塑性变形对应力释放的贡献较小,断裂时整个断口平面的应力水平都很高,在裂纹由起裂向外扩展的过程中,整个断口都是因超过正拉断裂抗力而破坏的韧窝状断口,仅在边缘有少量的剪切唇,具有切向断裂的特征。

     5083铝合金光滑试样断口为典型的45°剪切断口,有一定的轴向变形和颈缩现象。试样缺口为1mm时,起裂位置位于试样边缘。拉伸试验过

程中应力超过屈服应力时,试样缺口附近开始发生45°剪切变形,断口在拉伸过程中持续缩小,剪应变会沿45°方向发生在整个缺口截面,出现剪应变位置的应力有所释放。而缺口尖端附近由于应力集中且无法发生大量的剪切变形,轴向应力逐渐增大,当缺口边缘载荷超过断裂抗力时,从边缘处发生局部正拉破坏,轴向应力随后传导至整个断口,断裂扩展的过程试样会沿已经发生45°剪切变形的部分破坏,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交界区。由于缺口试样断裂时的应力不超过屈服应力,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力时,会发生少量的塑性变形,因为缺口的束缚作用及铝合金滑移系运动特征,试样无法在径向发生大量的塑性变形,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大,当最大力超过材料的断裂抗力时,最大力处发生正拉破坏,随后扩展至整个缺口截面,断口以正拉断裂特征的韧窝状为主。

     500-7球墨铸铁光滑试样的断口是垂直于受力方向的平断口,有明显的脆性特征。光滑试样在拉伸过程中有一定的轴向和径向变形,变形是最大剪应力导致的。对于缺口试样,在试样边缘形成了应力集中,拉伸过程应力会更早达到断裂抗力而起裂,随后迅速扩展到整个截面。由于缺口的束缚状态以及材料的脆性倾向,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的正应力会有很大差异。

     形状上的不连续一般都会产生应力集中。对于脆性材料,应力集中往往容易造成试样过早断裂,导致强度下降;缺口的深度越大,根部的应力集中程度就越高,试样就会越早断裂,抗拉强度越低。而塑性材料在缺口尖端可以通过一定程度的塑性变形缓解应力集中,并对缺口截面重新进行应力分配,降低应力集中。根据第三强度理论,最大剪应力是导致材料发生塑性变形而破坏的主要因素,此时的正应力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的变形,断裂方式由切断变为拉断,抗拉强度也会因此而提高。塑性越好的材料,通过塑性变形可以让整个缺口应力分布更均匀,整个缺口所在的截面更接近材料的理论拉断强度,抗拉强度升高的越显著。因此10CrNi3MoV钢缺口试样的抗拉强度较光滑试样的提高最为明显。而塑性不够好或缺口束缚较大,应变无法向心部扩展,就会导致缺口截面破坏出现在弹性变形和塑性变形的交界处,断裂前仍有部分界面受力还处于弹性区。因此5083铝合金缺口试样的抗拉强度较光滑试样的升高,但升高程度小于10CrNi3MoV钢的。另外缺口深度越深,更小的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度升高。

     (2) 缺口会改变塑性材料在变形过程中的应力状态及断裂方式。对于塑性材料,断裂应力由剪切应力变为正应力,断裂方式则由剪切断裂向轴向正拉破坏转变,因此缺口往往会提高材料的抗拉强度,且塑性越好,正拉破坏的比例越高,抗拉强度提高的就越明显。对于脆性材料,由于缺口应力集中的作用,会导致断裂时缺口根部到试样心部的正应力有很大的梯度,在根部先形成微裂纹,然后快速扩展到心部,因此会降低材料的抗拉强度,而断裂方式未发生改变。