浅述金属材料常用力学性能的规范
浅述金属材料常用力学性能的规范
金属材料的力学性能是指材料在力作用下显示的与弹性和非弹性反应-应变关系的性能。
根据gb/t3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》规定，紧固件常用的力学性能指标主要有强度、塑性、硬度和韧性等。为此，本文根据的国家标准对力学性能的规范表述进行介绍，以便相关人员能更好地贯彻新标准。
强度与塑性金属材料常用的强度指标是屈服强度和抗拉强度，常用的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率。试验机
常见不规范表达有：①屈服强度符号：σs、σ0.2、σsu或σsl屈服强度；名称：屈服极限、屈服点、条件屈服强度等。②抗拉强度符号：σb；名称：强度极限等。③断后伸长率符号：δ、δ5、δ10；名称：延伸率、伸长率、断后延伸率等。④断面收缩率符号：ψ；名称：收缩率。
根据gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温拉伸试验》，整理表1为常用力学性能名称与符号。
表1 常用力学性能名称与符号
gb/t228.1-2010
性能名称
符号
上屈服强度
reh
下屈服强度
rel
规定残余延伸强度
rr
规定塑性延伸强度
rp
抗拉强度
rm
断后伸长率
a,a11.3,axmm
断面收缩率
z
gb/t228.1-2010与gb/t3098.1-2010相比，只有“规定非比例延伸强度”的名称改为“规定塑性延伸强度”。电子试验机
上屈服强度reh是指试样发生屈服而下降前的zui大应力。下屈服强度rel是指在屈服期间，不计初始瞬时效应时的zui小应力。当金属材料在拉伸试验过程中没有明显屈服现象发生时，应测定规定塑性延伸强度rp或规定残余延伸强度rr。应采用rp0.2或rr0.2。rp0.2表示规定塑性延伸率为0.2%时的应力；rr0.2表示规定残余延伸率为0.2%时的应力。其中的0.2表示试样施加并卸除应力后引伸计标距的延伸等于引伸计标距的0.2%。液压试验机
抗拉强度rm是指相应zui大力对应的应力。
断后伸长率a是断后标距的残余伸长（lu-lo）与原始标距lo之比的百分率。
断面收缩率z是指断裂后试样横截面积的zui大缩减量（so-su）与原始横截面积so之比的百分率。
硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属材料在静载荷作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力。
硬度虽然不是金属独立的基本性能，但是硬度试验设备简单，操作迅速方便，又可直接在零部件上或工具上进行试验而不破坏工件，更为重要的是通过硬度测量可以估计出金属材料的其他力学性能指标，如近似抗拉强度和耐磨性。由于硬度试验仅在金属材料表面局部体积内产生很小的压痕，所以用硬度试验还可以检查金属材料表面层质量，如脱碳与增碳。在实际生产中作为紧固件产品质量检查、制订合理加工工艺的zui常用的重要试验方法。在产品设计图样的技术条件中，硬度也是一项主要技术指标。硬度计
常见不规范表达有：hrc32、hv385。
目前，常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、表面洛氏和显微硬度等。根据被测紧固件的直径、规格、材料种类和标准规范，把维氏硬度试验作为紧固件机械和物理性能中的仲裁检验项目，在紧固件行业中使用很广泛。测定螺栓表面硬度，在头部平面、紧固件末端或无螺纹杆部，测定时用zui小载荷为98n，即hv10；测定螺栓表面硬度与心部硬度之间误差，用zui小载荷为29.4n，即hv0.3；测定螺母表面硬度用zui小载荷为294n，即hv30。
但是，由于维氏硬度对试样表面要求高，压痕对角线长度d的测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高，不适于大批量测试。为此，洛氏硬度则使用较广泛，它的优点是测量迅速、简便，压痕较小，可用于测量紧固件成品。同时由于压痕较小，测量的硬度值不够准确，数据重复性差，对试验结果应进行正确处理并认真分析影响硬度试验结果的主要因素，才能大大提高硬度测试的准确性，保证检测数据的真实性和有效性。
2．1洛氏硬度
目前，金属洛氏硬度试验方法执行gb/t230.1-2009《金属洛氏硬度试验 第1部分:试验方法》，洛氏硬度用符号hr表示，符号hr前面为硬度值，符号后面为使用的标尺。zui常用的是a、b、c三种标尺，分别记作hra、hrb、hrc。如50hrc表示用c标尺测得的洛氏硬度值为50。
洛氏硬度不标单位，是一个无量纲的力学性能指标，洛氏硬度各标尺间没有对应关系。
根据gb/t230.1-2009规定，“试验结果，洛氏硬度值应至少至0.5hr”。在每个紧固件上的测量点数根据规格、直径选择，也可不少于3点，（gb/t230.1-2009对此并未明确规定，作了新的修订）。
2．2维氏硬度
gb/t4340.1-2009《金属材料维氏硬度 试验第1部分：试验方法》经修订于2009年6月25日发布，2010年4月1日起正式实行。显微维氏硬度试验说明:①当压痕对角线小于0.020mm时,必需考虑不确定度的增加。②通常试验力越小，测试结果的分散性越大，对于小力值硬度和显微维氏硬度尤为明显。该分散性主要是由压痕对角线长度的测量而引起的。对于显微维氏硬度来说，对角线的测量不太可能优于±0.001mm。
请注意的是:试样表面应平坦光滑，试验面上应无氧化皮及外来污物，尤其是不应有油脂，试样表面的质量应保证压痕对角线长度的测量精度，建议进行表面抛光处理。由于显微维氏硬度压痕很浅，加工试样时建议根据材料特性采用抛光/电解抛光工艺，一改原标准规定表面粗糙度维氏硬度试样0.4μm；小力值维氏硬度试样；0.2μm显微维氏硬度试样0.1μm。
韧性韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。夏比冲击试验是一种常用的评定金属材料韧性指标的动态试验方法。通常是依据标准要求，将坯样加工成具有规定的缺口形式和几何尺寸的试样，测试缺口试样在冲击载荷下的冲击吸收能量，以及断口的剪切面积百分率和侧膨胀值等。现行的国家标准是gb/t229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》（该标准等效采用iso148-1：2006）。
常见不规范表达有：符号：ak、akv、aku、ak、akv或aku；名称：冲击韧性、冲击吸收功。冲击试验机
gb/t229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法适应于室温、高温以及低温下金属材料的v型和u型缺口冲击试验。冲击能量k或冲击韧度值越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。
根据gb/t229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法，v型缺口试样和u型缺口试样的冲击能量分别表示为kv和ku，并用下标数字2和8表示摆锤刀刃半径，如kv2，其单位为j（焦耳）。冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上读出。
标准规定冲击试样的尺寸为55mm×10mm×10mm，在试样中间有v型或u型缺口，并使其对称面垂直于试样纵向轴线，保证根部处没有影响吸收能量的加工痕迹。如试样料不够制备标准尺寸试样时，可使用宽度7.5mm、5mm或2.5mm的小试样。
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根据gb/t3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》规定，紧固件常用的力学性能指标主要有强度、塑性、硬度和韧性等。为此，本文根据的国家标准对力学性能的规范表述进行介绍，以便相关人员能更好地贯彻新标准。
强度与塑性金属材料常用的强度指标是屈服强度和抗拉强度，常用的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率。试验机
常见不规范表达有：①屈服强度符号：σs、σ0.2、σsu或σsl屈服强度；名称：屈服极限、屈服点、条件屈服强度等。②抗拉强度符号：σb；名称：强度极限等。③断后伸长率符号：δ、δ5、δ10；名称：延伸率、伸长率、断后延伸率等。④断面收缩率符号：ψ；名称：收缩率。
根据gb/t228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分室温拉伸试验》，整理表1为常用力学性能名称与符号。
表1 常用力学性能名称与符号
gb/t228.1-2010
性能名称
符号
上屈服强度
reh
下屈服强度
rel
规定残余延伸强度
rr
规定塑性延伸强度
rp
抗拉强度
rm
断后伸长率
a,a11.3,axmm
断面收缩率
z
gb/t228.1-2010与gb/t3098.1-2010相比，只有“规定非比例延伸强度”的名称改为“规定塑性延伸强度”。电子试验机
上屈服强度reh是指试样发生屈服而下降前的zui大应力。下屈服强度rel是指在屈服期间，不计初始瞬时效应时的zui小应力。当金属材料在拉伸试验过程中没有明显屈服现象发生时，应测定规定塑性延伸强度rp或规定残余延伸强度rr。应采用rp0.2或rr0.2。rp0.2表示规定塑性延伸率为0.2%时的应力；rr0.2表示规定残余延伸率为0.2%时的应力。其中的0.2表示试样施加并卸除应力后引伸计标距的延伸等于引伸计标距的0.2%。液压试验机
抗拉强度rm是指相应zui大力对应的应力。
断后伸长率a是断后标距的残余伸长（lu-lo）与原始标距lo之比的百分率。
断面收缩率z是指断裂后试样横截面积的zui大缩减量（so-su）与原始横截面积so之比的百分率。
硬度硬度是衡量金属材料软硬程度的指标，是指金属材料在静载荷作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕、划痕的能力。
硬度虽然不是金属独立的基本性能，但是硬度试验设备简单，操作迅速方便，又可直接在零部件上或工具上进行试验而不破坏工件，更为重要的是通过硬度测量可以估计出金属材料的其他力学性能指标，如近似抗拉强度和耐磨性。由于硬度试验仅在金属材料表面局部体积内产生很小的压痕，所以用硬度试验还可以检查金属材料表面层质量，如脱碳与增碳。在实际生产中作为紧固件产品质量检查、制订合理加工工艺的zui常用的重要试验方法。在产品设计图样的技术条件中，硬度也是一项主要技术指标。硬度计
常见不规范表达有：hrc32、hv385。
目前，常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、表面洛氏和显微硬度等。根据被测紧固件的直径、规格、材料种类和标准规范，把维氏硬度试验作为紧固件机械和物理性能中的仲裁检验项目，在紧固件行业中使用很广泛。测定螺栓表面硬度，在头部平面、紧固件末端或无螺纹杆部，测定时用zui小载荷为98n，即hv10；测定螺栓表面硬度与心部硬度之间误差，用zui小载荷为29.4n，即hv0.3；测定螺母表面硬度用zui小载荷为294n，即hv30。
但是，由于维氏硬度对试样表面要求高，压痕对角线长度d的测定较麻烦，工作效率不如洛氏硬度高，不适于大批量测试。为此，洛氏硬度则使用较广泛，它的优点是测量迅速、简便，压痕较小，可用于测量紧固件成品。同时由于压痕较小，测量的硬度值不够准确，数据重复性差，对试验结果应进行正确处理并认真分析影响硬度试验结果的主要因素，才能大大提高硬度测试的准确性，保证检测数据的真实性和有效性。
2．1洛氏硬度
目前，金属洛氏硬度试验方法执行gb/t230.1-2009《金属洛氏硬度试验 第1部分:试验方法》，洛氏硬度用符号hr表示，符号hr前面为硬度值，符号后面为使用的标尺。zui常用的是a、b、c三种标尺，分别记作hra、hrb、hrc。如50hrc表示用c标尺测得的洛氏硬度值为50。
洛氏硬度不标单位，是一个无量纲的力学性能指标，洛氏硬度各标尺间没有对应关系。
根据gb/t230.1-2009规定，“试验结果，洛氏硬度值应至少至0.5hr”。在每个紧固件上的测量点数根据规格、直径选择，也可不少于3点，（gb/t230.1-2009对此并未明确规定，作了新的修订）。
2．2维氏硬度
gb/t4340.1-2009《金属材料维氏硬度 试验第1部分：试验方法》经修订于2009年6月25日发布，2010年4月1日起正式实行。显微维氏硬度试验说明:①当压痕对角线小于0.020mm时,必需考虑不确定度的增加。②通常试验力越小，测试结果的分散性越大，对于小力值硬度和显微维氏硬度尤为明显。该分散性主要是由压痕对角线长度的测量而引起的。对于显微维氏硬度来说，对角线的测量不太可能优于±0.001mm。
请注意的是:试样表面应平坦光滑，试验面上应无氧化皮及外来污物，尤其是不应有油脂，试样表面的质量应保证压痕对角线长度的测量精度，建议进行表面抛光处理。由于显微维氏硬度压痕很浅，加工试样时建议根据材料特性采用抛光/电解抛光工艺，一改原标准规定表面粗糙度维氏硬度试样0.4μm；小力值维氏硬度试样；0.2μm显微维氏硬度试样0.1μm。
韧性韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。夏比冲击试验是一种常用的评定金属材料韧性指标的动态试验方法。通常是依据标准要求，将坯样加工成具有规定的缺口形式和几何尺寸的试样，测试缺口试样在冲击载荷下的冲击吸收能量，以及断口的剪切面积百分率和侧膨胀值等。现行的国家标准是gb/t229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》（该标准等效采用iso148-1：2006）。
常见不规范表达有：符号：ak、akv、aku、ak、akv或aku；名称：冲击韧性、冲击吸收功。冲击试验机
gb/t229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法适应于室温、高温以及低温下金属材料的v型和u型缺口冲击试验。冲击能量k或冲击韧度值越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。
根据gb/t229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法，v型缺口试样和u型缺口试样的冲击能量分别表示为kv和ku，并用下标数字2和8表示摆锤刀刃半径，如kv2，其单位为j（焦耳）。冲击吸收能量的大小直接由试验机的刻度盘上读出。
标准规定冲击试样的尺寸为55mm×10mm×10mm，在试样中间有v型或u型缺口，并使其对称面垂直于试样纵向轴线，保证根部处没有影响吸收能量的加工痕迹。如试样料不够制备标准尺寸试样时，可使用宽度7.5mm、5mm或2.5mm的小试样。
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