金屬材料的常用力學(xué)性能指標(biāo)主要有強(qiáng)度、塑性、硬度和韌性等，其表達(dá)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(dá)仍沿用舊標(biāo)準(zhǔn)。為此，本文根據(jù)最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)常用力學(xué)性能的規(guī)范表達(dá)進(jìn)行了介紹，并與舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析比較，以便相關(guān)人員能更好地宣傳和貫徹新標(biāo)準(zhǔn)。
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(biāo)主要有強(qiáng)度、塑性、硬度和韌性等，這些力學(xué)性能指標(biāo)可通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定，其表達(dá)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(dá)仍沿用舊標(biāo)準(zhǔn)，甚至是20多年前的舊標(biāo)準(zhǔn)。為此，本文根據(jù)最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)常用力學(xué)性能的規(guī)范表達(dá)進(jìn)行介紹，并與舊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析比較，以便相關(guān)人員能更好地宣傳和貫徹新標(biāo)準(zhǔn)。
1、強(qiáng)度與塑性
強(qiáng)度和塑性通過(guò)金屬材料室溫拉伸性能試驗(yàn)來(lái)測(cè)定。現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是2011年12月1日實(shí)施的GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。該版標(biāo)準(zhǔn)修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6892-1：2009《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。該標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)不規(guī)范表達(dá)
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(zhǎng)率和斷面收縮率。教材、論文及技術(shù)文件中常見(jiàn)的不規(guī)范表達(dá)有：①屈服強(qiáng)度符號(hào)：σs、σ0.2、σsU或σsL；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(zhǎng)率符號(hào)：δ、δ5、δ10；名稱：延伸率，伸長(zhǎng)率，斷后延伸率等。④斷面收縮率符號(hào)：ψ；名稱：收縮率。
對(duì)于這些不規(guī)范的表達(dá)，主要是作者沒(méi)有實(shí)時(shí)關(guān)注相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的變化及其實(shí)施應(yīng)用情況，沒(méi)有及時(shí)將最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)納入教學(xué)、科研中。一般來(lái)說(shuō)，新標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，即意味著舊標(biāo)準(zhǔn)的廢止。這些名稱、符號(hào)大部分是20多年前的標(biāo)準(zhǔn)(即GB/T228-1987)。
1.2、規(guī)范化表達(dá)
表1為常用力學(xué)性能名稱和符號(hào)新舊標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)照。由表1可見(jiàn)，常用力學(xué)性能的名稱和符號(hào)最新的GB/T228.1-2010與2002年的標(biāo)準(zhǔn)相比，只是“規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度”的名稱變?yōu)椤耙?guī)定塑性延伸強(qiáng)度”，其他基本沒(méi)有變化。但與1987年版的標(biāo)準(zhǔn)相比有較大差異。為與國(guó)標(biāo)接軌，2002版開(kāi)始，力學(xué)性能的名稱及符號(hào)均按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。如將屈服點(diǎn)名稱改為屈服強(qiáng)度，取消屈服強(qiáng)度的測(cè)定，只測(cè)定上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。強(qiáng)度指標(biāo)的符號(hào)發(fā)生了較大的變化，由原來(lái)的σ加下角標(biāo)改為R加下角標(biāo)。斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率名稱不變而符號(hào)完全不同。
表1 常用力學(xué)性能名稱和符號(hào)新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照
從2002版標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始，屈服強(qiáng)度是指當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)，在試驗(yàn)期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點(diǎn)，應(yīng)區(qū)分上屈服強(qiáng)度(ReH)和下屈服強(qiáng)度(ReL)，分別取代1987年版中的上屈服點(diǎn)(σsU)和下屈服點(diǎn)(σsL)。上屈服強(qiáng)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(jiàn)圖1(a)。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)的最小應(yīng)力，見(jiàn)圖1(a)。當(dāng)金屬材料在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)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)。σ0.2在不規(guī)范表達(dá)中用來(lái)表示沒(méi)有明顯屈服現(xiàn)象金屬材料的屈服強(qiáng)度，下標(biāo)0.2表示試樣標(biāo)距部分殘余伸長(zhǎng)率達(dá)到規(guī)定數(shù)值0.2%。
這種表示方法沒(méi)有標(biāo)明殘留變形量的測(cè)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(shí)的應(yīng)力，見(jiàn)圖1(b)。其中的0.2表示試驗(yàn)中任一給定時(shí)刻引伸標(biāo)距的塑性延伸等于引伸計(jì)標(biāo)距的0.2%。Rr0.2表示規(guī)定殘余延伸率為0.2%時(shí)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(jì)標(biāo)距的延伸等于引伸計(jì)標(biāo)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(qiáng)度Rp0.2
(b)和規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr0.2(c)的規(guī)定
抗拉強(qiáng)度Rm是指相應(yīng)最大力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，如圖1(a)。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中最大力是指：對(duì)于顯示不連續(xù)屈服的材料，如果沒(méi)有加工硬化作用，標(biāo)準(zhǔn)就不定義。對(duì)于無(wú)明顯屈服(不連續(xù)屈服)的金屬材料，為試驗(yàn)期間的最大力。對(duì)于有不連續(xù)屈服的金屬材料，在加工硬化開(kāi)始之后，試樣所承受的最大力。新舊標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)度的名稱不變，符號(hào)由σb變?yōu)镽m。斷后伸長(zhǎng)率A是斷后標(biāo)距的殘余伸長(zhǎng)(Lu-L0)與原始標(biāo)距(L0)之比的百分率。對(duì)于比例試樣，即拉伸試樣的原始標(biāo)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(zhǎng)率用符號(hào)A表示(對(duì)應(yīng)87版的符號(hào)δ5)；k=11.3的試樣稱為長(zhǎng)比例試樣，其斷后伸長(zhǎng)率為A11.3(對(duì)應(yīng)87版的符號(hào)δ10)；試驗(yàn)時(shí)，一般優(yōu)先選用短比例試樣，但要保證原始標(biāo)距不小于15mm，否則，建議選用長(zhǎng)比例試樣或其他類型試樣。對(duì)于非比例試樣，符號(hào)A應(yīng)附以下標(biāo)注說(shuō)明所使用的原始標(biāo)距，以毫米(mm)表示，例如A50mm表示原始標(biāo)距為50mm的斷后伸長(zhǎng)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(kāi)始斷面收縮率符號(hào)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(biāo)，反映材料抵抗局部塑性變形的能力，是一個(gè)綜合的物理量。目前生產(chǎn)中，測(cè)定硬度最常用的方法是布氏硬度和洛氏硬度。常見(jiàn)的不規(guī)范表達(dá)如：HBW500、350HBS、HRC50、60HRB等。
2.1、布氏硬度
現(xiàn)行的布氏硬度試驗(yàn)方法是2010年4月1日開(kāi)始實(shí)施的GB/T231.1-2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，該標(biāo)準(zhǔn)修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6506-1：2005《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)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(hào)新舊標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)照。由表可見(jiàn)，2002年以前的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，布氏硬度試驗(yàn)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(shí)，用符號(hào)HBS表示，適用于450HBS以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于650HBW以下的材料。從2002年版本起，布氏硬度試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)只允許使用硬質(zhì)合金球壓頭，其布氏硬度符號(hào)用HBW表示。因此，2002年標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，硬度計(jì)應(yīng)全部采用硬質(zhì)合金球壓頭，技術(shù)文件應(yīng)一律標(biāo)注符號(hào)HBW。
表2 布氏硬度壓頭和符號(hào)新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照
2.2、洛氏硬度
洛氏硬度試驗(yàn)方法最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是2010年4月1日開(kāi)始實(shí)施的GB/T230.1-2009《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)》，該標(biāo)準(zhǔn)修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6508-1：2005《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺)》。GB/T230.1于1983年首次發(fā)布，分別于1991、2004和2009年進(jìn)行了三次修訂。表3為洛氏硬度部分內(nèi)容新舊標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)照。由表3可見(jiàn)，從2004版標(biāo)準(zhǔn)起，增加了15N、30N、45N、15T、30T、45T等6個(gè)表面洛氏硬度標(biāo)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(shuō)明：硬質(zhì)合金球形壓頭為標(biāo)準(zhǔn)型洛氏硬度壓頭，如果在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議中有規(guī)定時(shí)，允許使用鋼球壓頭。因此，為了區(qū)別洛氏硬度試驗(yàn)所使用的壓頭類型，從2004版標(biāo)準(zhǔn)起對(duì)于使用球形壓頭標(biāo)尺，在硬度符號(hào)后面要追加符號(hào)“S”或“W”，見(jiàn)表3中表達(dá)方法及其示例。如“60HRB”的表達(dá)方法，在2004年前是規(guī)范表達(dá)，但2004及2009版標(biāo)準(zhǔn)中就是不規(guī)范的表達(dá)，必須說(shuō)明球壓頭代號(hào)。
表3 洛氏硬度新舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照
3、韌性
強(qiáng)度、塑性、硬度等力學(xué)性能指標(biāo)是在靜載荷作用下測(cè)定。可是，有些零件在工作中受沖擊載荷作用，由于外力瞬時(shí)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(shí)，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(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，現(xiàn)行的國(guó)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)修改采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO148-1：2006《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)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(jiàn)的不規(guī)范表達(dá)如，名稱：沖擊韌度、沖擊吸收功；符號(hào)：ak、akV、aku、AK、AKV、AKU等。
在1994年前評(píng)定金屬材料沖擊韌性的指標(biāo)是沖擊韌性值(符號(hào)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定用沖擊吸收功(符號(hào)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(biāo)準(zhǔn)中用吸收能量(符號(hào)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)(GB/T229-1994)中的AKU2、AKU5，其下標(biāo)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(yǔ)
為了使國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)成為與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致的國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，以避免在國(guó)際貿(mào)易中的技術(shù)壁壘，我國(guó)金屬材料常用力學(xué)性能的室溫拉伸試驗(yàn)、硬度和夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法均通過(guò)修改采用的方式與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)接軌。廣大教研工作者，一定要重視最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的及時(shí)貫徹。作為一名教師，在教材不能及時(shí)更新的情況下，盡可能地給學(xué)生講授最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，及新舊標(biāo)準(zhǔn)的差異，使學(xué)生更快更好地理解掌握，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生宣傳貫徹新標(biāo)準(zhǔn)的意識(shí)。
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