淺述金屬材料常用力學(xué)性能的規(guī)范

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)-應(yīng)變關(guān)系的性能。

根據(jù)GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》規(guī)定，緊固件常用的力學(xué)性能指標(biāo)主要有強(qiáng)度、塑性、硬度和韌性等。為此，本文根據(jù)的國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)力學(xué)性能的規(guī)范表述進(jìn)行介紹，以便相關(guān)人員能更好地貫徹新標(biāo)準(zhǔn)。

1. 強(qiáng)度與塑性

金屬材料常用的強(qiáng)度指標(biāo)是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，常用的塑性指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率。試驗(yàn)機(jī)

常見不規(guī)范表達(dá)有：①屈服強(qiáng)度符號(hào)：σs、σ0.2、σsu或σsL屈服強(qiáng)度；名稱：屈服極限、屈服點(diǎn)、條件屈服強(qiáng)度等。②抗拉強(qiáng)度符號(hào)：σb；名稱：強(qiáng)度極限等。③斷后伸長率符號(hào)：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(hào)：ψ；名稱：收縮率。

根據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分室溫拉伸試驗(yàn)》，整理表1為常用力學(xué)性能名稱與符號(hào)。

　　表1 常用力學(xué)性能名稱與符號(hào)

GB/T228.1-2010與GB/T3098.1-2010相比，只有“規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度”的名稱改為“規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度”。電子試驗(yàn)機(jī)

上屈服強(qiáng)度ReH是指試樣發(fā)生屈服而下降前的zui大應(yīng)力。下屈服強(qiáng)度ReL是指在屈服期間，不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的zui小應(yīng)力。當(dāng)金屬材料在拉伸試驗(yàn)過程中沒有明顯屈服現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，應(yīng)測(cè)定規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp或規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr。應(yīng)采用Rp0.2或Rr0.2。Rp0.2表示規(guī)定塑性延伸率為0.2%時(shí)的應(yīng)力；Rr0.2表示規(guī)定殘余延伸率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。其中的0.2表示試樣施加并卸除應(yīng)力后引伸計(jì)標(biāo)距的延伸等于引伸計(jì)標(biāo)距的0.2%。液壓試驗(yàn)機(jī)

抗拉強(qiáng)度Rm是指相應(yīng)zui大力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

斷后伸長率A是斷后標(biāo)距的殘余伸長（Lu-Lo）與原始標(biāo)距Lo之比的百分率。

斷面收縮率Z是指斷裂后試樣橫截面積的zui大縮減量（So-Su）與原始橫截面積So之比的百分率。

1. 硬度

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)，是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕、劃痕的能力。

硬度雖然不是金屬獨(dú)立的基本性能，但是硬度試驗(yàn)設(shè)備簡單，操作迅速方便，又可直接在零部件上或工具上進(jìn)行試驗(yàn)而不破壞工件，更為重要的是通過硬度測(cè)量可以估計(jì)出金屬材料的其他力學(xué)性能指標(biāo)，如近似抗拉強(qiáng)度和耐磨性。由于硬度試驗(yàn)僅在金屬材料表面局部體積內(nèi)產(chǎn)生很小的壓痕，所以用硬度試驗(yàn)還可以檢查金屬材料表面層質(zhì)量，如脫碳與增碳。在實(shí)際生產(chǎn)中作為緊固件產(chǎn)品質(zhì)量檢查、制訂合理加工工藝的zui常用的重要試驗(yàn)方法。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣的技術(shù)條件中，硬度也是一項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)。硬度計(jì)

常見不規(guī)范表達(dá)有：HRC32、HV385。

目前，常用的硬度試驗(yàn)方法有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、表面洛氏和顯微硬度等。根據(jù)被測(cè)緊固件的直徑、規(guī)格、材料種類和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，把維氏硬度試驗(yàn)作為緊固件機(jī)械和物理性能中的仲裁檢驗(yàn)項(xiàng)目，在緊固件行業(yè)中使用很廣泛。測(cè)定螺栓表面硬度，在頭部平面、緊固件末端或無螺紋桿部，測(cè)定時(shí)用zui小載荷為98N，即HV10；測(cè)定螺栓表面硬度與心部硬度之間誤差，用zui小載荷為29.4N，即HV0.3；測(cè)定螺母表面硬度用zui小載荷為294N，即HV30。

但是，由于維氏硬度對(duì)試樣表面要求高，壓痕對(duì)角線長度d的測(cè)定較麻煩，工作效率不如洛氏硬度高，不適于大批量測(cè)試。為此，洛氏硬度則使用較廣泛，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量迅速、簡便，壓痕較小，可用于測(cè)量緊固件成品。同時(shí)由于壓痕較小，測(cè)量的硬度值不夠準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性差，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)進(jìn)行正確處理并認(rèn)真分析影響硬度試驗(yàn)結(jié)果的主要因素，才能大大提高硬度測(cè)試的準(zhǔn)確性，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。

2．1洛氏硬度

目前，金屬洛氏硬度試驗(yàn)方法執(zhí)行GB/T230.1-2009《金屬洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》，洛氏硬度用符號(hào)HR表示，符號(hào)HR前面為硬度值，符號(hào)后面為使用的標(biāo)尺。zui常用的是A、B、C三種標(biāo)尺，分別記作HRA、HRB、HRC。如50HRC表示用C標(biāo)尺測(cè)得的洛氏硬度值為50。

洛氏硬度不標(biāo)單位，是一個(gè)無量綱的力學(xué)性能指標(biāo)，洛氏硬度各標(biāo)尺間沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)GB/T230.1-2009規(guī)定，“試驗(yàn)結(jié)果，洛氏硬度值應(yīng)至少至0.5HR”。在每個(gè)緊固件上的測(cè)量點(diǎn)數(shù)根據(jù)規(guī)格、直徑選擇，也可不少于3點(diǎn)，（GB/T230.1-2009對(duì)此并未明確規(guī)定，作了新的修訂）。

2．2維氏硬度

GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度 試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》經(jīng)修訂于2009年6月25日發(fā)布，2010年4月1日起正式實(shí)行。顯微維氏硬度試驗(yàn)說明:①當(dāng)壓痕對(duì)角線小于0.020mm時(shí),必需考慮不確定度的增加。②通常試驗(yàn)力越小，測(cè)試結(jié)果的分散性越大，對(duì)于小力值硬度和顯微維氏硬度尤為明顯。該分散性主要是由壓痕對(duì)角線長度的測(cè)量而引起的。對(duì)于顯微維氏硬度來說，對(duì)角線的測(cè)量不太可能優(yōu)于±0.001mm。

請(qǐng)注意的是:試樣表面應(yīng)平坦光滑，試驗(yàn)面上應(yīng)無氧化皮及外來污物，尤其是不應(yīng)有油脂，試樣表面的質(zhì)量應(yīng)保證壓痕對(duì)角線長度的測(cè)量精度，建議進(jìn)行表面拋光處理。由于顯微維氏硬度壓痕很淺，加工試樣時(shí)建議根據(jù)材料特性采用拋光/電解拋光工藝，一改原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定表面粗糙度維氏硬度試樣0.4μm；小力值維氏硬度試樣；0.2μm顯微維氏硬度試樣0.1μm。

1. 韌性

韌性是指金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。夏比沖擊試驗(yàn)是一種常用的評(píng)定金屬材料韌性指標(biāo)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法。通常是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，將坯樣加工成具有規(guī)定的缺口形式和幾何尺寸的試樣，測(cè)試缺口試樣在沖擊載荷下的沖擊吸收能量，以及斷口的剪切面積百分率和側(cè)膨脹值等。現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》（該標(biāo)準(zhǔn)等效采用ISO148-1：2006）。

常見不規(guī)范表達(dá)有：符號(hào)：ak、akv、aku、Ak、Akv或Aku；名稱：沖擊韌性、沖擊吸收功。沖擊試驗(yàn)機(jī)

GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法適應(yīng)于室溫、高溫以及低溫下金屬材料的V型和U型缺口沖擊試驗(yàn)。沖擊能量K或沖擊韌度值越大，越可以承受較大的沖擊載荷。一般把沖擊吸收能量低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收能量高的材料稱為韌性材料。

根據(jù)GB/T229-2007金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法，V型缺口試樣和U型缺口試樣的沖擊能量分別表示為KV和KU，并用下標(biāo)數(shù)字2和8表示擺錘刀刃半徑，如KV2，其單位為J（焦耳）。沖擊吸收能量的大小直接由試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上讀出。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沖擊試樣的尺寸為55mm×10mm×10mm，在試樣中間有V型或U型缺口，并使其對(duì)稱面垂直于試樣縱向軸線，保證根部處沒有影響吸收能量的加工痕跡。如試樣料不夠制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣時(shí)，可使用寬度7.5mm、5mm或2.5mm的小試樣。