金属材料在熔炼、成形等过程中不可避免地会产生夹杂、偏析等内部缺陷，造成内部结构的不连续性，机械、设备构件中沟槽阶、定位孔、棱角等的形状也会影响零部件外表面结构的连续性，结构的不连续现象会导致零部件在使用中局部位置出现应力集中。工程中常将该类不连续结构等效为“缺口”来考虑，这些缺口除了会造成材料的应力集中外，还会导致缺口根部的应力及变形状态发生改变。如在拉伸过程中，缺口根部的应力状态会由单向拉伸变为双向或三向拉伸，同时缺口尖端附近的塑性变形也被显著约束。

     研究表明，由于材料的塑性不同，缺口对材料断裂行为的影响存在差异。鲜有学者直接对比不同塑性金属材料缺口试样的断裂行为，为此，来自中国船舶重工集团公司第七二五研究所的徐魁龙、张聪毅等研究人员对3种不同塑性的金属材料分别进行了拉伸试验，通过对比缺口试样的抗拉强度及断口形貌，研究了缺口对不同塑性材料抗拉强度和断裂行为的影响。

1 试验方法

     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。

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

2 试验结果

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。

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

3 分析与讨论

     缺口的存在使得试样在拉伸过程中由均匀的单轴应力状态变为不均匀的三轴应力状态，在缺口根部有明显的应力集中现象。缺口也会对尖端起到束缚作用，限制缺口尖端的变形。由于材料的塑性不同，缺口带来的应力集中和束缚在试样整个塑性变形过程中演化状态有很大差异，最终造成缺口对不同材料抗拉强度的影响程度不同。

     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。

4 结论

     (1) 缺口会导致材料在受力状态下产生应力集中。对于塑性较好的材料，可以通过缺口尖端的塑性变形，对缺口截面重新进行应力分配，缓解应力集中现象，不会降低材料的强度。对于脆性材料，缺口尖端塑性变形能力小，缓解应力集中的作用不明显，因此会因为应力集中导致材料局部破坏并扩展至整个截面，降低材料的整体强度。

     (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。