缺口对不同塑性金属材料拉伸断裂行为的影响

     试验采用10CrNi3MoV钢、5083铝合金、500-7球墨铸铁3种不同塑性的金属材料。按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》的技术要求加工成R4型圆柱状拉伸试样，在试样平行段中间位置加工V形缺口，缺口角度为60°，缺口尖端半径为0.1mm，缺口根部直径D分别为6，8，10mm(对应缺口深度分别为2，1，0mm，缺口深度为0mm的试样即为光滑试样)，拉伸试样的形状及尺寸见图1。

     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。

2.1 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。

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%。

      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