缺口效應是指在各種材料鑄件中鉆孔、切槽、攻絲等加工時,對此部位施加應力,容易引起應力集中,造成破壞的現(xiàn)象。
缺口效應影響的程度,稱為缺口敏感度=有缺口時強度/無缺口時強度。缺口敏感度隨塑料種類而異,也受溫度、缺口形狀、荷重速度的影響。
集中應力達到材料的屈服強度時,引起的缺口根部附近區(qū)域的塑性變形,即缺口造成應力的集中,這是缺口的第一個效應。
缺口改變了缺口前方的應力狀態(tài),使平板中材料所受的應力由原來的單向拉伸改變?yōu)閮上蚧蛉蚶欤@是缺口的第一個效應。
試樣的屈服應力比單向拉伸時的要高,即產(chǎn)生了所謂缺口“強化”現(xiàn)象。缺口使塑性材料得到“強化”,這是缺口的第三個效應。
某鑄件在檢測中一度出現(xiàn)拉伸試驗不合格情況,經(jīng)調(diào)查分析后認為是試樣本身產(chǎn)生了應力集中造成的,后改進制樣方法,使問題得到了解決。
現(xiàn)象
零件材料為Q T 6 0 0 - 3 , 技術要求R m ≥600MPa,A≥3%。在前一段時間,試驗中多次出現(xiàn)試樣斷在標距上或標距外(甚至在過渡部分)。
分析
查看這些鑄件的化學成分報告,是符合標準要求的。生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境條件和工藝方法也符合技術要求。仔細觀察試樣的斷口,存在一個普遍現(xiàn)象:斷面經(jīng)過“樣沖眼”處。樣沖眼是確定試樣標距時打上去的。
把拉斷的試樣對接起來可以看到,樣沖眼較大、較深,這相當于在光滑試樣上有了“缺口”。相關資料顯示,缺口的存在改變了試樣的受力條件,造成硬性的應力狀態(tài),不利于材料的塑性變形,會使材料趨向、甚至處于脆性狀態(tài),同時還在試樣上缺口的根部引起應力集中。因此可以認為,缺口是造成硬性應力狀態(tài)和應力集中,以及降低材料韌性的一個脆化因素。
因為在脆性狀態(tài)下,當平均應力較低時,缺口尖端的最大應力有可能達到材料的斷裂抗力,促進了裂紋的生成和擴張,從而引起早期脆性斷裂。缺口使脆性狀態(tài)下的材料強度降低。
對于塑性好的材料,在拉伸時整體金屬能均勻變形,應力集中不明顯;而塑性差的材料(如鑄鐵件),整體變形能力差,應力不能均勻釋放而在薄弱截面產(chǎn)生應力集中(如零件的不通孔或臺肩處,試樣從光滑部分過渡到端部時)。因此,在拉伸試驗時會在過渡部分斷開。
有研究認為,在彈性范圍內(nèi),應力集中程度不僅與缺口尖銳度有關,也與缺口深度相關。尖銳度和深度相同的缺口,會在試樣內(nèi)引起更大的應力集中效應。
經(jīng)過以上分析,找到了缺口斷裂的原因:試樣打樣沖眼處的“缺口”產(chǎn)生了應力集中,導致早期脆性斷裂。隨后又重新送試件進行拉伸試驗,采用劃針畫線來確定試樣標距,試驗結果完全符合技術要求,恢復了正常生產(chǎn)。
結論和措施
(1)試樣上的缺口效應導致早期脆性斷裂。
(2)在加工制作試樣時,不打樣沖眼,而是涂畫標距線。
另外,一定要保證試樣表面質量(光滑無紋痕)和尺寸精度,試驗時一定要對正中心。如果試樣有了缺口或偏斜,將會改變試樣的應力狀態(tài),從而影響試驗數(shù)據(jù)的正確性。
在這種情況下A 3%,達不到要求。即使重新熱處理后送樣試驗,仍然在這些位置斷開
以上案例說明,在尺寸突變處,如果沒有采用圓角過渡,會導致有限元分析中應力無限增大。 實際上,在結構設計中,為了降低應力集中因素,有一些基本的設計法則,簡述如下:
1、填充法
在圓孔內(nèi)插入一根棒,也可以降低圓孔處的應力集中。
2、修改形狀
(1)流線型:對于變截面的受拉桿件或受壓桿件,如果采用流線型過渡,可以使得構件應力均勻,從 而避免應力集中。
(2)圓角:在構件中絕對禁止出現(xiàn)尖銳轉角。因為由理論分析可知,當圓角的曲率半徑趨向零時, 其應力集中系數(shù)趨向無窮大。用圓角代替尖銳轉角,能有效緩和應力集中。下面是工程上應 用圓角的例子。
(3)橢圓孔:在保證構件正常工作的前提下,把圓孔變成橢圓孔,往往能提高構件的強度。
3、表面削去法
如下圖,在孔的上下兩邊挖去一定厚度的材料,會降低這部分的剛度,以達到緩和應力 集中的目的。這些圖中,最后一種情況應力集中系數(shù)最小。
4、適當選擇應力集中因素的位置
(1)應力集中因素應該選擇在應力低的部位
不要把孔放在彎矩最大的截面上;不要把孔放在靠近邊緣的地方。
(2)要考慮是否有母體之間發(fā)生相互干涉,導致應力上升
隨著孔距離邊沿越來越近,應力集中會加劇。
5、附加應力集中因素
在左邊的結構上進行改進,右邊的結構增加了一個孔,其應力集中系數(shù)反而降 低。
6、適當選擇應力集中因素的方向
如下圖,三種長孔的情況,最底下一種應力集中系數(shù)最大,盡量不要采用這種方式。而 最上面的情況則應力集中系數(shù)最小。