汪玲玲

（有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100814）

1 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子元器件向著微型化、薄型化、高密度和高度集成化方向發(fā)展，電子元器件在長(zhǎng)時(shí)間使用中產(chǎn)生的熱效應(yīng)不斷增加，部分元器件還可能在更高的溫度下長(zhǎng)時(shí)間使用，為了保持端子連接器彈片的嵌合力，這就要求材料具有優(yōu)良的抗應(yīng)力松弛性能，才能保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。應(yīng)力松弛性能是評(píng)價(jià)彈性材料或元件的重要性能指標(biāo)，一般采用應(yīng)力松弛率R%，即初始應(yīng)力值的百分之幾來表示[1]；應(yīng)力松弛曲線表示松弛率隨時(shí)間的變化，其形式可以多種多樣。國(guó)內(nèi)對(duì)拉伸應(yīng)力松弛測(cè)定已制定了國(guó)標(biāo)GB/T10120-2013《金屬材料拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》，但在實(shí)際工作環(huán)境中，工件會(huì)受到拉伸、彎曲、壓縮、扭轉(zhuǎn)的應(yīng)力作用，例如：汽輪機(jī)緊固件用螺栓、管道連接緊固件等均在拉伸應(yīng)力條件下工作；一些承載部件、支撐部件等在壓縮載荷下工作；簧片、彈簧等部件在彎曲載荷下工作，驅(qū)動(dòng)軸、齒輪連接桿在扭轉(zhuǎn)載荷下工作[2]。因此，對(duì)于在非拉伸應(yīng)力條件下工作的支撐部件、彈簧類部件和驅(qū)動(dòng)軸等，采用彎曲、壓縮、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法更符合實(shí)際材料的工作條件[3]，但這些測(cè)定目前國(guó)內(nèi)還缺乏比較完善的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)力松弛試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)標(biāo)GB/T 10120-2013《金屬材料拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》采用的是恒應(yīng)變應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法，試驗(yàn)原理是：在規(guī)定試驗(yàn)環(huán)境中，對(duì)試樣施加拉伸負(fù)載直至達(dá)到規(guī)定總伸長(zhǎng)，由于試樣上的彈性變形隨時(shí)間有一部分逐漸轉(zhuǎn)化為非彈性變形，內(nèi)應(yīng)力下降，欲保持初始變形恒定，則要不斷卸除部分載荷，在試驗(yàn)過程中，記錄應(yīng)力的下降與試驗(yàn)時(shí)間關(guān)系。

試驗(yàn)樣品尺寸及形狀如圖1所示。拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)的試驗(yàn)周期長(zhǎng)、效率低，對(duì)設(shè)備的要求比較高。

該國(guó)標(biāo)中還規(guī)定了高溫環(huán)狀應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法，該方法所取樣品的形狀輪廓及尺寸大小如圖2所示。此方法的優(yōu)點(diǎn)在于：不需要配備其他相應(yīng)的加載設(shè)備，且操作簡(jiǎn)單方便，可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)。缺點(diǎn)在于：不能對(duì)絲材、片材進(jìn)行操作，試樣加工比較困難。

圖1 拉伸應(yīng)力樣品

圖2 等彎矩環(huán)狀彎曲應(yīng)力松弛試樣

2.2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外對(duì)應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法已制定一系列標(biāo)準(zhǔn)，主要有美國(guó)ASTME328-13“材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力松弛試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)推薦方法”、日本JISZ2267-12“金屬材料拉伸松弛實(shí)驗(yàn)方法”、日本伸銅協(xié)會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)JCBA-T309-2004 薄板條彎曲應(yīng)力松弛緩和試驗(yàn)方法、蘇聯(lián)ΓOCT26007-83“應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法”、英國(guó)EN 10319-2003 “拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)”、法國(guó)NF A03-760-1-2003“建筑用預(yù)應(yīng)力和后應(yīng)力鋼筋（絲、棒）等松弛試驗(yàn)”、國(guó)際建材與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)聯(lián)會(huì)“預(yù)應(yīng)力鋼材等溫松弛試驗(yàn)實(shí)施方法”等[4]。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了四種應(yīng)力下的應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法和試驗(yàn)裝置，是國(guó)際上比較全面的應(yīng)力松弛標(biāo)準(zhǔn)之一。并推薦拉伸、壓縮試驗(yàn)采用圓形或方形試樣，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)采用圓形截面試樣。日本標(biāo)準(zhǔn)中，僅規(guī)定了拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)中包括了高溫試驗(yàn)和常溫試驗(yàn)。樣品尺寸只規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)尺寸和非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣。蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了單軸向拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法。對(duì)于彎曲試樣，規(guī)定了兩種環(huán)狀試樣，即等彎矩環(huán)狀試樣和等截面環(huán)狀試樣。法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中和國(guó)際建筑材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了用于預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉伸應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了拉伸應(yīng)力松弛的試驗(yàn)方法，樣品可選用圓形截面和矩形截面。

3 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的差異

GB/T 10120《金屬應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》是非等效采用ASTM E328《材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》，在技術(shù)內(nèi)容上與ASTM E328有較大差異，主要是以歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10319-1：2003為基礎(chǔ)，參考了美標(biāo)ASTM 328日本標(biāo)準(zhǔn)JISZ 2276和ECCC推薦規(guī)范，并對(duì)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)性差異進(jìn)行了比較分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，制定了GB/T 10120《金屬應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法》。

該標(biāo)準(zhǔn)與EN10391：2003的技術(shù)差異及其原因如下：刪除了歐洲標(biāo)準(zhǔn)引言，適應(yīng)我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)編寫和版式要求；修改了標(biāo)準(zhǔn)名稱，以擴(kuò)大使用范圍，便于應(yīng)用；刪除了歐洲標(biāo)準(zhǔn)參考書，適應(yīng)我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)編寫和版式要求；修改了范圍，以增強(qiáng)適用性；對(duì)規(guī)范性引用文件的導(dǎo)語進(jìn)行了相應(yīng)修改，適應(yīng)我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)編寫和版式要求；修改了引伸計(jì)的校準(zhǔn)周期的要求，以提高試驗(yàn)的可操作性；溫度允許的最大溫度梯度改為“3.4.5”對(duì)于要求嚴(yán)格的試驗(yàn)，最大溫度梯度分別控制在“2.3.3”，以提高試驗(yàn)的可操作性；增加了規(guī)范性附錄A“高溫環(huán)狀彎曲應(yīng)力松弛試驗(yàn)試樣、試驗(yàn)程序及數(shù)據(jù)處理”，規(guī)定更全面和明確；將EN10391：2003資料性附錄A、附錄B相應(yīng)改為附錄B、附錄C，適應(yīng)我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)編寫和版式要求。

除此之外，國(guó)內(nèi)對(duì)壓縮、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 10120國(guó)標(biāo)中的彎曲應(yīng)力松弛方法由于樣品制備困難、不能直接反映出試驗(yàn)材料的應(yīng)力松弛特性，無法對(duì)絲材、片材進(jìn)行測(cè)量等缺點(diǎn)限制了該標(biāo)準(zhǔn)的使用[5-6]。

4 國(guó)內(nèi)彎曲、壓縮、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛測(cè)試方法研究現(xiàn)狀

目前，中南大學(xué)的雷前等人[7]根據(jù)ASTM328標(biāo)準(zhǔn)中的彎曲應(yīng)力松弛測(cè)試方法自行設(shè)計(jì)了一套操作簡(jiǎn)單，成本低的試驗(yàn)裝置，研究了超高強(qiáng)CuNiSi系彈性導(dǎo)電銅合金的應(yīng)力松弛行為。江西理工大學(xué)的胡艷艷等人[8]也根據(jù)ASTM328標(biāo)準(zhǔn)自行設(shè)計(jì)了一套彎曲應(yīng)力松弛測(cè)試裝置，研究了Cu-Zn-Al-Ni-Co合金的應(yīng)力松弛行為。中南工業(yè)大學(xué)毛新平等人[9]自行設(shè)計(jì)出兩套應(yīng)力松弛測(cè)量裝置，測(cè)定了鈹銅合金在室溫和高溫下的靜態(tài)應(yīng)力松弛和動(dòng)態(tài)應(yīng)力松弛特性?？傊瑖?guó)內(nèi)研究彎曲應(yīng)力松弛測(cè)試裝置大都自行設(shè)計(jì)，單是彎曲應(yīng)力作用下的片形試樣就有三點(diǎn)加載的雙三角形試樣，懸臂梁加載的梯形試樣和矩形試樣；應(yīng)力加載方式有楔形加載和螺桿加載方式；初始應(yīng)力的選擇更是不同，很難有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)。因此，制定金屬彎曲應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法就顯得十分重要。

扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛試驗(yàn)采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E328，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)條件及設(shè)備作了具體的要求。國(guó)外S.T.Furr提出了采用包辛格扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)法[10-11]來研究彈簧材料的應(yīng)力松弛行為，包辛格試驗(yàn)方法的原理[12-14]是通過測(cè)定包辛格角ABT，用來表征彈簧及彈性元件的抗應(yīng)力松弛性能。角越大，抗應(yīng)力松弛性能越好。包辛格試驗(yàn)工序簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，精度較高。實(shí)際中往往改用拉壓包辛格試驗(yàn)法及回線面積法來研究彈簧材料抗應(yīng)力松弛特性，使之更加接近彈性構(gòu)件真實(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。其試樣一般采用圓柱樣或圓管，最小長(zhǎng)徑比為20。

國(guó)內(nèi)趙華等人[15]設(shè)計(jì)了一種新型扭簧應(yīng)力松弛試驗(yàn)裝置，在其基礎(chǔ)上做了多組高溫實(shí)驗(yàn)。天津大學(xué)的劉斌[16]為探索微型的扭轉(zhuǎn)彈簧的應(yīng)力松弛行為，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)其使用工作壽命，創(chuàng)新性的開發(fā)出扭轉(zhuǎn)型的彈簧試驗(yàn)機(jī)，并進(jìn)行了不同溫度下的應(yīng)力松弛試驗(yàn)。

5 總結(jié)及展望

相對(duì)美國(guó)、法國(guó)、歐洲等國(guó)家在應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)方面，我國(guó)對(duì)彈性材料的要求不斷提高，許多客戶對(duì)材料提出了具有抗應(yīng)力松弛特性的隱性需求，而國(guó)內(nèi)應(yīng)力松弛試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)少，限制了我國(guó)對(duì)高端連接器及精密接插件等材料進(jìn)行更深層次的研發(fā)工作。因此，我國(guó)急需完善彎曲、壓縮和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力松弛方法方面的標(biāo)準(zhǔn)。

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