金屬材料的常用力學(xué)性能指標主要有強度、塑性、硬度和韌性等，其表達方法國家標準有明確規(guī)定。而最近出版的很多教材、發(fā)表的諸多論文中，常用力學(xué)性能的表達仍沿用舊標準。為此，本文根據(jù)最新的國家標準對常用力學(xué)性能的規(guī)范表達進行了介紹，并與舊標準進行分析比較，以便相關(guān)人員能更好地宣傳和貫徹新標準。
金屬材料的力學(xué)性能是指材料在力作用下顯示的與彈性和非彈性反應(yīng)相關(guān)或包含應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的性能。常用的力學(xué)性能指標主要有強度、塑性、硬度和韌性等，這些力學(xué)性能指標可通過國家標準試驗來測定，其表達方法國家標準也有明確規(guī)定。然而，最近出版的很多教材、發(fā)表的諸多論文中，常用力學(xué)性能的表達仍沿用舊標準，甚至是20多年前的舊標準。為此，本文根據(jù)最新的國家標準對常用力學(xué)性能的規(guī)范表達進行介紹，并與舊標準進行分析比較，以便相關(guān)人員能更好地宣傳和貫徹新標準。
1、強度與塑性
強度和塑性通過金屬材料室溫拉伸性能試驗來測定。現(xiàn)行的國家標準是2011年12月1日實施的GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》。該版標準修改采用國際標準ISO6892-1：2009《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》。該標準第1版本于1963年發(fā)布，經(jīng)歷了1976、1987、2002和2010年4次修訂。
1.1、常見不規(guī)范表達
金屬材料常用的強度指標是屈服強度和抗拉強度，常用的塑性指標是斷后伸長率和斷面收縮率。教材、論文及技術(shù)文件中常見的不規(guī)范表達有：①屈服強度符號：σs、σ0.2、σsU或σsL；名稱：屈服極限、屈服點，條件屈服強度等。②抗拉強度符號：σb；名稱：強度極限等。③斷后伸長率符號：δ、δ5、δ10；名稱：延伸率，伸長率，斷后延伸率等。④斷面收縮率符號：ψ；名稱：收縮率。
對于這些不規(guī)范的表達，主要是作者沒有實時關(guān)注相關(guān)標準的變化及其實施應(yīng)用情況，沒有及時將最新的國家標準納入教學(xué)、科研中。一般來說，新標準的頒布實施，即意味著舊標準的廢止。這些名稱、符號大部分是20多年前的標準(即GB/T228-1987)。
1.2、規(guī)范化表達
表1為常用力學(xué)性能名稱和符號新舊標準的對照。由表1可見，常用力學(xué)性能的名稱和符號最新的GB/T228.1-2010與2002年的標準相比，只是“規(guī)定非比例延伸強度”的名稱變?yōu)椤耙?guī)定塑性延伸強度”，其他基本沒有變化。但與1987年版的標準相比有較大差異。為與國標接軌，2002版開始，力學(xué)性能的名稱及符號均按照國際標準的規(guī)定。如將屈服點名稱改為屈服強度，取消屈服強度的測定，只測定上屈服強度和下屈服強度。強度指標的符號發(fā)生了較大的變化，由原來的σ加下角標改為R加下角標。斷后伸長率、斷面收縮率名稱不變而符號完全不同。
表1 常用力學(xué)性能名稱和符號新舊標準對照
從2002版標準開始，屈服強度是指當金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點，應(yīng)區(qū)分上屈服強度(ReH)和下屈服強度(ReL)，分別取代1987年版中的上屈服點(σsU)和下屈服點(σsL)。上屈服強度ReH是指試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最大應(yīng)力，見圖1(a)。下屈服強度ReL是指在屈服期間，不計初始瞬時效應(yīng)時的最小應(yīng)力，見圖1(a)。當金屬材料在拉伸試驗過程中沒有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生時，應(yīng)測定規(guī)定塑性延伸強度(Rp)或規(guī)定殘余延伸強度(Rr)。σ0.2在不規(guī)范表達中用來表示沒有明顯屈服現(xiàn)象金屬材料的屈服強度，下標0.2表示試樣標距部分殘余伸長率達到規(guī)定數(shù)值0.2%。
這種表示方法沒有標明殘留變形量的測量方法，應(yīng)廢除。而應(yīng)用Rp0.2或Rr0.2代替。Rp0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時的應(yīng)力，見圖1(b)。其中的0.2表示試驗中任一給定時刻引伸標距的塑性延伸等于引伸計標距的0.2%。Rr0.2表示規(guī)定殘余延伸率為0.2%時的應(yīng)力，如圖1(c)。其中的0.2表示試樣施加并卸除應(yīng)力后引伸計標距的延伸等于引伸計標距的0.2%。
圖1 應(yīng)力-延伸率曲線圖(a)及規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2
(b)和規(guī)定殘余延伸強度Rr0.2(c)的規(guī)定
抗拉強度Rm是指相應(yīng)最大力對應(yīng)的應(yīng)力，如圖1(a)。現(xiàn)行標準中最大力是指：對于顯示不連續(xù)屈服的材料，如果沒有加工硬化作用，標準就不定義。對于無明顯屈服(不連續(xù)屈服)的金屬材料，為試驗期間的最大力。對于有不連續(xù)屈服的金屬材料，在加工硬化開始之后，試樣所承受的最大力。新舊標準中抗拉強度的名稱不變，符號由σb變?yōu)镽m。斷后伸長率A是斷后標距的殘余伸長(Lu-L0)與原始標距(L0)之比的百分率。對于比例試樣，即拉伸試樣的原始標距與原始橫截面積的平方根的比值k為常數(shù)，k=5.65的試樣稱為短比例試樣，其斷后伸長率用符號A表示(對應(yīng)87版的符號δ5)；k=11.3的試樣稱為長比例試樣，其斷后伸長率為A11.3(對應(yīng)87版的符號δ10)；試驗時，一般優(yōu)先選用短比例試樣，但要保證原始標距不小于15mm，否則，建議選用長比例試樣或其他類型試樣。對于非比例試樣，符號A應(yīng)附以下標注說明所使用的原始標距，以毫米(mm)表示，例如A50mm表示原始標距為50mm的斷后伸長率。斷面收縮率Z是指，斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量(S0-Su)與原始橫截面積(S0)之比的百分率。2002版開始斷面收縮率符號由ψ更改為Z。
2、硬度
硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標，反映材料抵抗局部塑性變形的能力，是一個綜合的物理量。目前生產(chǎn)中，測定硬度最常用的方法是布氏硬度和洛氏硬度。常見的不規(guī)范表達如：HBW500、350HBS、HRC50、60HRB等。
2.1、布氏硬度
現(xiàn)行的布氏硬度試驗方法是2010年4月1日開始實施的GB/T231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》，該標準修改采用國際標準ISO6506-1：2005《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》。GB/T231.1經(jīng)歷了1962年首次發(fā)布，1984、2002、2009年3次修訂。表2為布氏硬度壓頭和符號新舊標準的對照。由表可見，2002年以前的標準規(guī)定，布氏硬度試驗可以采用鋼球壓頭或硬質(zhì)合金球壓頭兩種。壓頭為鋼球時，用符號HBS表示，適用于450HBS以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號HBW表示，適用于650HBW以下的材料。從2002年版本起，布氏硬度試驗取消了鋼球壓頭，只允許使用硬質(zhì)合金球壓頭。GB/T231.1-2009引言中明確指出，
本標準只允許使用硬質(zhì)合金球壓頭，其布氏硬度符號用HBW表示。因此，2002年標準實施后，硬度計應(yīng)全部采用硬質(zhì)合金球壓頭，技術(shù)文件應(yīng)一律標注符號HBW。
表2 布氏硬度壓頭和符號新舊標準對照
2.2、洛氏硬度
洛氏硬度試驗方法最新的國家標準是2010年4月1日開始實施的GB/T230.1-2009《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)》，該標準修改采用國際標準ISO6508-1：2005《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)》。GB/T230.1于1983年首次發(fā)布，分別于1991、2004和2009年進行了三次修訂。表3為洛氏硬度部分內(nèi)容新舊標準的對照。由表3可見，從2004版標準起，增加了15N、30N、45N、15T、30T、45T等6個表面洛氏硬度標尺。2004年前壓頭為金剛石圓錐或鋼球兩種，而2004版規(guī)定，壓頭除了這兩種以外，還可以使用硬質(zhì)合金球壓頭。但在2009版中規(guī)定，一般只允許使用金剛石圓錐或硬質(zhì)合金球兩種壓頭，且在“范圍”中明確說明：硬質(zhì)合金球形壓頭為標準型洛氏硬度壓頭，如果在產(chǎn)品標準或協(xié)議中有規(guī)定時，允許使用鋼球壓頭。因此，為了區(qū)別洛氏硬度試驗所使用的壓頭類型，從2004版標準起對于使用球形壓頭標尺，在硬度符號后面要追加符號“S”或“W”，見表3中表達方法及其示例。如“60HRB”的表達方法，在2004年前是規(guī)范表達，但2004及2009版標準中就是不規(guī)范的表達，必須說明球壓頭代號。
表3 洛氏硬度新舊標準對照
3、韌性
強度、塑性、硬度等力學(xué)性能指標是在靜載荷作用下測定。可是，有些零件在工作中受沖擊載荷作用，由于外力瞬時沖擊作用引起的變形和應(yīng)力要比靜載荷所引起的應(yīng)力大得多，因而選用制造這類零件的材料時，必須考慮材料抵抗沖擊載荷作用的能力，即沖擊韌性。
韌性是指金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。夏比沖擊試驗是一種常用的評定金屬材料韌性指標的動態(tài)試驗方法，現(xiàn)行的國家標準是GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，該標準修改采用國際標準ISO148-1：2006《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗第1部分：試驗方法》。GB/T229于1984年首次發(fā)布，經(jīng)歷了1994、2007年兩次修訂。常見的不規(guī)范表達如，名稱：沖擊韌度、沖擊吸收功；符號：ak、akV、aku、AK、AKV、AKU等。
在1994年前評定金屬材料沖擊韌性的指標是沖擊韌性值(符號ak，單位為J/cm2)，即沖擊吸收功除以試樣缺口底部處橫截面面積所得的商。而在1994版標準中規(guī)定用沖擊吸收功(符號Ak，單位J)表示材料的沖擊韌性，V型、U型缺口試樣的沖擊吸收功分別用AKV和AKU表示。但在GB/T229-2007標準中用吸收能量(符號K，單位為J)取代沖擊吸收功AK，用字母V和U表示缺口幾何形狀，用下標數(shù)字2或8表示擺錘刀刃半徑，如：KU8-U型缺口試樣在8mm擺錘刀刃下的沖擊吸收能量。而舊標準(GB/T229-1994)中的AKU2、AKU5，其下標中的數(shù)字則表示缺口深度，如AKU5-深度5mm的U型缺口試樣的沖擊吸收功。
4、結(jié)束語
為了使國家標準成為與國際標準一致的國際通用標準，以避免在國際貿(mào)易中的技術(shù)壁壘，我國金屬材料常用力學(xué)性能的室溫拉伸試驗、硬度和夏比擺錘沖擊試驗方法均通過修改采用的方式與國際標準的相關(guān)標準接軌。廣大教研工作者，一定要重視最新國家標準的及時貫徹。作為一名教師，在教材不能及時更新的情況下，盡可能地給學(xué)生講授最新國家標準的內(nèi)容，及新舊標準的差異，使學(xué)生更快更好地理解掌握，同時培養(yǎng)學(xué)生宣傳貫徹新標準的意識。
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