缺口敏感性

由於結構設計的需要，各類彈性元件要有不同的幾何形狀；同時，材質表面還會有一些缺陷，如劃痕、裂紋、脫碳等，這些都使其性能和採用光滑試樣測得的性能有很大差異，這就是缺口效應。

表示材料因缺口作用其強度和塑性變化趨勢的參量叫缺口敏感性。通常，用光滑試樣的抗拉強度和缺口試樣的抗拉強度的比值作為缺口敏感性的指標。

基本介紹

• 中文名：缺口敏感性
• 外文名：Notch sensitivity
• 含義：衡量金屬性能的一個指標
• 例如：PBT,PBT/PC合金
• 原因：存在缺口、橫孔等截面急劇變化

缺口敏感性簡介

對於金屬材料來說，缺口總是降低塑性，增大脆性。金屬材料存在缺口而造成三向應力狀態和應力一應變集中，由此而使材料產生變脆的傾向，這種效果稱為缺口敏感性。一般採用缺口試樣力學性能試驗來評價材料的缺口敏感性。常用的缺口試樣力學性能試驗方法有缺口靜拉伸和缺口偏斜拉伸、缺口靜彎曲等。

通常，用光滑試樣的抗拉強度σ_b和缺口試樣的抗拉強度σ_bH的比值作為缺口敏感性的指標，即 。當q_e<1時，說明缺口處發生了塑性變形的擴展，比值越小，說明塑變擴展量越大，脆化傾向越小，表示缺口敏感性小甚至不敏感。當q_e>1時，說明缺口處還未明顯發生塑性變形擴展就早期斷裂，表示缺口敏感。q_e越大，缺口敏感性也越大。一般，缺口敏感性越大，材料的斷裂韌性也越低。

缺口彎曲試驗也可以顯示材料的缺口敏感性。由於缺口和彎曲引起的不均勻性疊加，所以缺口彎曲較缺口拉伸應力一應變分布不均勻性要大。這種方法一般根據斷裂時的殘餘撓度或彎曲破斷點（裂紋出現）的位置評定材料的缺口敏感性。

如果缺口存在改變了材料的淨截面強度（σ_n）（按剩餘的截面積計算，但是缺口的應力集中效應忽略不計），則可以認為該材料是缺口敏感的。對金屬來說，在高延展性材料上加缺口，由於塑性限制作用提高，可能使缺口強化；或者由於缺口的應力集中效應，對變形能力有限的材料來說，可能導致缺口弱化。然而，對膠凝材料來說，沒有發現過缺口強化效應。因此，決口敏感性這個術語僅僅指由於缺口存在，可能降低σ_n值。於是假定，缺口不敏感的材料，或材料內的最大裂縫小於臨界裂縫長度，則該材料可以用古典力學分析；缺口敏感的材料，必須用斷裂力學的原理分析。因此，Ziegeldoff等人已經證明，缺口敏感性是套用線彈性斷裂力學的必要條件（雖然不是充分條件），他們為缺口敏感性（就彎曲來說）推導出下列公式：

式中σ是無缺口試件的強度。

材料是否存在缺口敏感性，主要取決於其在試驗條件下是否具有良好的持久塑性。這是因為缺口根部附近存在著三向應力狀態，會產生應力集中。這個應力集中是趨於緩和還是加劇，很大程度上取決於材料當時的塑性情況，而這個塑性則通常是由光滑試樣上測得的持久塑性來體現的。對此可作如下說明：

1.對蠕變脆性材料而言，缺口根部的應力集中不易因塑性變形而鬆弛，因應力集中形成的三向應力狀態便容易促成蠕變裂紋的萌生和擴展，從而降低斷裂時間和強度，故呈現缺口弱化，即具有缺口敏感性。

2.對蠕變塑性材料而言，缺口根部附近的應力集中可以很快地由於塑性變形而鬆弛，三向應力狀態非但不能加快相反還有可能減慢蠕變裂紋萌生和擴展。（這與在室溫下三向應力狀態下的屈服強度比單軸拉伸時高得多有某些相似之處。）因而此時會呈現缺口強化。

3.當上述兩者處於平衡狀態時，材料表現出無缺口影響的情況。

應該指出，存在缺口會使材料的蠕變塑性（或稱持久塑性）降低，這主要是由於應力狀態的改變而引起的。然而也並不是在所有情況下，塑性的降低均伴隨有持久強度的降低。

材料的缺口敏感性除和材料本身性能、應力狀態（載入方式）有關外，尚與缺口形狀、尺寸和試驗溫度有關。缺口尖端曲率半徑越小，缺口越深，材料對缺口的敏感性也越大。缺口類型相同，增加試樣截面尺寸。缺口敏感性也增加，這是由於尺寸較大，試驗彈性能儲存較高所致。降低溫度，尤其對bcc（體心立方晶格）金屬，缺口敏感性急劇增大。因此，應在相同條件下，對比不同材料的缺口敏感性。

各種因素對缺口敏感性的影響

載入方式

載入方式對缺口試樣性能的影響遠大於對光滑試樣的影響。

在拉伸、壓縮、扭轉、彎曲四種基本載入方式中，壓縮對缺口試樣來說意義不大，因為在沒有拉應力（或其所占比例不大）的條件下，缺口敏感性一般顯現不出來。

軸向拉伸下缺口的影響研究得最多。這時，軸向應力分布的不均勻性具有決定的意義，因為恰恰是這類應力在試樣缺口根部的表面處具有最大數值；而在試樣內部的多向應力狀態，顯然在表面開始脆性斷裂時不起作用。所以對於直接由彈性範圍過渡到斷裂的脆性材料，應該觀察到缺口試樣的強度比同一截面尺寸的光滑試樣為低，其降低的程度相當子理論應力集中係數。酚醛塑膠斷裂試驗表明，應力集中係數的計算值與光學方法測定值十分接近。至於塑性材料，則觀察到應力狀態發生變化：試樣表面較早地過渡到塑性範圍，且軸向應力的最大值由表面向心部轉移。如果變形量相當大，則心部除應力不均勻性減小外，還存在著應力多向性的影響。切應力的最大值是否也向心部轉移，這一點尚不清楚。

缺口幾何參數

缺口圓角半徑和深度的影響與材料的狀態及載入方式有關。如σ_b為100~120公斤力/mm²等級的淬火高溫回火狀態鋼，當缺口圓角半徑r_H大於0.1毫米（或更小些）時，缺口試樣的強度與r_H的關係很小。而σ_b為170~180公斤力/mm²等級的鋼，卻對缺口尖銳度十分敏感，尖缺口比鈍缺口更能明顯地揭示出脆性狀態。因此，出現了提高機械性能試驗缺口尖銳度的趨向。如Ⅳ型衝擊試樣，其缺口根部的圓角半徑r_H為0.25毫米，相當於英美等國採用的夏氏－V型試樣的r_H值。

試樣絕對尺寸的影響

如果加大試樣直徑，而缺口形狀和尺寸都不變，則如前所述，同樣的缺口對大試樣就顯得較尖了。幾何相似喪失後，隨試樣尺寸加大，缺口敏感性一般也相應增大。

試驗溫度的影響

提高試驗溫度（特別是處於熱脆溫度區）對缺口試樣的性能有很大影響。特別是對於各種結構用鋼及合金已多次研究過降低試驗溫度對缺口試樣靜載性能的影響，照例，降低試驗溫度，缺口試樣的塑性劇烈減小，某些情況下以條件應力表示的靜強度也下降。

缺口持久強度試驗

缺口幾何尺寸對材料缺口敏感性有很大影響，因此為了測定材料在一定的試驗條件下的缺口敏感性，特別是為了使測定結果具有通用可比性，必須對試樣尺寸及缺口幾何作出統一的規定。表4-6所列數據，為某些國家的試樣情況。其中關於中國的數據，為我國航空工業部的標準。

各國缺口持久試樣對比表

然而，我國冶金工業部1977年頒布的冶金部標準YB899-77則規定缺口根部半徑礦為0.15mm，缺口處截面直徑為5mm，非缺口部位直徑為7mm，計算長度為25mm。試樣如圖所示。

缺口圓棒試樣

缺口試樣持久強度試驗與光滑試樣的基本相同。溫度測量時要注意準確測定缺口根部的溫度。同時，缺口試樣的偏心影響比光滑試樣的大，因此應保證試驗機有較好的同心度。