[科普中国]-缺口敏感性

缺口敏感性简介

对于金属材料来说，缺口总是降低塑性，增大脆性。金属材料存在缺口而造成三向应力状态和应力一应变集中，由此而使材料产生变脆的倾向，这种效果称为缺口敏感性。一般采用缺口试样力学性能试验来评价材料的缺口敏感性。常用的缺口试样力学性能试验方法有缺口静拉伸和缺口偏斜拉伸、缺口静弯曲等。

通常，用光滑试样的抗拉强度σb和缺口试样的抗拉强度σbH的比值作为缺口敏感性的指标，即 。当qe1时，说明缺口处还未明显发生塑性变形扩展就早期断裂，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，材料的断裂韧性也越低。1

缺口弯曲试验也可以显示材料的缺口敏感性。由于缺口和弯曲引起的不均匀性叠加，所以缺口弯曲较缺口拉伸应力一应变分布不均匀性要大。这种方法一般根据断裂时的残余挠度或弯曲破断点（裂纹出现）的位置评定材料的缺口敏感性。

如果缺口存在改变了材料的净截面强度（σn）（按剩余的截面积计算，但是缺口的应力集中效应忽略不计），则可以认为该材料是缺口敏感的。对金属来说，在高延展性材料上加缺口，由于塑性限制作用提高，可能使缺口强化；或者由于缺口的应力集中效应，对变形能力有限的材料来说，可能导致缺口弱化。然而，对胶凝材料来说，没有发现过缺口强化效应。因此，决口敏感性这个术语仅仅指由于缺口存在，可能降低σn值。于是假定，缺口不敏感的材料，或材料内的最大裂缝小于临界裂缝长度，则该材料可以用古典力学分析；缺口敏感的材料，必须用断裂力学的原理分析。因此，Ziegeldoff等人已经证明，缺口敏感性是应用线弹性断裂力学的必要条件（虽然不是充分条件），他们为缺口敏感性（就弯曲来说）推导出下列公式：2

式中σ是无缺口试件的强度。

材料是否存在缺口敏感性，主要取决于其在试验条件下是否具有良好的持久塑性。这是因为缺口根部附近存在着三向应力状态，会产生应力集中。这个应力集中是趋于缓和还是加剧，很大程度上取决于材料当时的塑性情况，而这个塑性则通常是由光滑试样上测得的持久塑性来体现的。对此可作如下说明：

1.对蠕变脆性材料而言，缺口根部的应力集中不易因塑性变形而松弛，因应力集中形成的三向应力状态便容易促成蠕变裂纹的萌生和扩展，从而降低断裂时间和强度，故呈现缺口弱化，即具有缺口敏感性。

2.对蠕变塑性材料而言，缺口根部附近的应力集中可以很快地由于塑性变形而松弛，三向应力状态非但不能加快相反还有可能减慢蠕变裂纹萌生和扩展。（这与在室温下三向应力状态下的屈服强度比单轴拉伸时高得多有某些相似之处。）因而此时会呈现缺口强化。

3.当上述两者处于平衡状态时，材料表现出无缺口影响的情况。

应该指出，存在缺口会使材料的蠕变塑性（或称持久塑性）降低，这主要是由于应力状态的改变而引起的。然而也并不是在所有情况下，塑性的降低均伴随有持久强度的降低。

材料的缺口敏感性除和材料本身性能、应力状态（加载方式）有关外，尚与缺口形状、尺寸和试验温度有关。缺口尖端曲率半径越小，缺口越深，材料对缺口的敏感性也越大。缺口类型相同，增加试样截面尺寸。缺口敏感性也增加，这是由于尺寸较大，试验弹性能储存较高所致。降低温度，尤其对bcc（体心立方晶格）金属，缺口敏感性急剧增大。因此，应在相同条件下，对比不同材料的缺口敏感性。

各种因素对缺口敏感性的影响加载方式加载方式对缺口试样性能的影响远大于对光滑试样的影响。

在拉伸、压缩、扭转、弯曲四种基本加载方式中，压缩对缺口试样来说意义不大，因为在没有拉应力（或其所占比例不大）的条件下，缺口敏感性一般显现不出来。

轴向拉伸下缺口的影响研究得最多。这时，轴向应力分布的不均匀性具有决定的意义，因为恰恰是这类应力在试样缺口根部的表面处具有最大数值；而在试样内部的多向应力状态，显然在表面开始脆性断裂时不起作用。所以对于直接由弹性范围过渡到断裂的脆性材料，应该观察到缺口试样的强度比同一截面尺寸的光滑试样为低，其降低的程度相当子理论应力集中系数。酚醛塑料断裂试验表明，应力集中系数的计算值与光学方法测定值十分接近。至于塑性材料，则观察到应力状态发生变化：试样表面较早地过渡到塑性范围，且轴向应力的最大值由表面向心部转移。如果变形量相当大，则心部除应力不均匀性减小外，还存在着应力多向性的影响。切应力的最大值是否也向心部转移，这一点尚不清楚。

缺口几何参数缺口圆角半径和深度的影响与材料的状态及加载方式有关。如σb为100~120公斤力/mm2等级的淬火高温回火状态钢，当缺口圆角半径rH大于0.1毫米（或更小些）时，缺口试样的强度与rH的关系很小。而σb为170~180公斤力/mm2等级的钢，却对缺口尖锐度十分敏感，尖缺口比钝缺口更能明显地揭示出脆性状态。因此，出现了提高机械性能试验缺口尖锐度的趋向。如Ⅳ型冲击试样，其缺口根部的圆角半径rH为0.25毫米，相当于英美等国采用的夏氏－V型试样的rH值。

试样绝对尺寸的影响如果加大试样直径，而缺口形状和尺寸都不变，则如前所述，同样的缺口对大试样就显得较尖了。几何相似丧失后，随试样尺寸加大，缺口敏感性一般也相应增大。

试验温度的影响提高试验温度（特别是处于热脆温度区）对缺口试样的性能有很大影响。特别是对于各种结构用钢及合金已多次研究过降低试验温度对缺口试样静载性能的影响，照例，降低试验温度，缺口试样的塑性剧烈减小，某些情况下以条件应力表示的静强度也下降。3

缺口持久强度试验缺口几何尺寸对材料缺口敏感性有很大影响，因此为了测定材料在一定的试验条件下的缺口敏感性，特别是为了使测定结果具有通用可比性，必须对试样尺寸及缺口几何作出统一的规定。表4-6所列数据，为某些国家的试样情况。其中关于中国的数据，为我国航空工业部的标准。

然而，我国冶金工业部1977年颁布的冶金部标准YB899-77则规定缺口根部半径矿为0.15mm，缺口处截面直径为5mm，非缺口部位直径为7mm，计算长度为25mm。试样如图所示。

缺口试样持久强度试验与光滑试样的基本相同。温度测量时要注意准确测定缺口根部的温度。同时，缺口试样的偏心影响比光滑试样的大，因此应保证试验机有较好的同心度。4