金屬應力松弛試驗方法國內外標準現狀及發展

汪玲玲

（有色金屬技術經濟研究院，北京 100814）

1 引言

隨著現代科學技術的發展，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展，電子元器件在長時間使用中產生的熱效應不斷增加，部分元器件還可能在更高的溫度下長時間使用，為了保持端子連接器彈片的嵌合力，這就要求材料具有優良的抗應力松弛性能，才能保證產品的穩定性和可靠性。應力松弛性能是評價彈性材料或元件的重要性能指標，一般采用應力松弛率R%，即初始應力值的百分之幾來表示[1]；應力松弛曲線表示松弛率隨時間的變化，其形式可以多種多樣。國內對拉伸應力松弛測定已制定了國標GB/T10120-2013《金屬材料拉伸應力松弛試驗方法》，但在實際工作環境中，工件會受到拉伸、彎曲、壓縮、扭轉的應力作用，例如：汽輪機緊固件用螺栓、管道連接緊固件等均在拉伸應力條件下工作；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，驅動軸、齒輪連接桿在扭轉載荷下工作[2]。因此，對于在非拉伸應力條件下工作的支撐部件、彈簧類部件和驅動軸等，采用彎曲、壓縮、扭轉應力松弛試驗方法更符合實際材料的工作條件[3]，但這些測定目前國內還缺乏比較完善的測試標準。

2 國內外應力松弛試驗標準

2.1 國內標準

國標GB/T 10120-2013《金屬材料拉伸應力松弛試驗方法》采用的是恒應變應力松弛試驗方法，試驗原理是：在規定試驗環境中，對試樣施加拉伸負載直至達到規定總伸長，由于試樣上的彈性變形隨時間有一部分逐漸轉化為非彈性變形，內應力下降，欲保持初始變形恒定，則要不斷卸除部分載荷，在試驗過程中，記錄應力的下降與試驗時間關系。

試驗樣品尺寸及形狀如圖1所示。拉伸應力松弛試驗的試驗周期長、效率低，對設備的要求比較高。

該國標中還規定了高溫環狀應力松弛試驗方法，該方法所取樣品的形狀輪廓及尺寸大小如圖2所示。此方法的優點在于：不需要配備其他相應的加載設備，且操作簡單方便，可同時進行多個實驗。缺點在于：不能對絲材、片材進行操作，試樣加工比較困難。

圖1 拉伸應力樣品

圖2 等彎矩環狀彎曲應力松弛試樣

2.2 國外標準

國外對應力松弛試驗方法已制定一系列標準，主要有美國ASTME328-13“材料和結構的應力松弛試驗標準推薦方法”、日本JISZ2267-12“金屬材料拉伸松弛實驗方法”、日本伸銅協會技術標準JCBA-T309-2004 薄板條彎曲應力松弛緩和試驗方法、蘇聯ΓOCT26007-83“應力松弛試驗方法”、英國EN 10319-2003 “拉伸應力松弛試驗”、法國NF A03-760-1-2003“建筑用預應力和后應力鋼筋（絲、棒）等松弛試驗”、國際建材與結構試驗聯會“預應力鋼材等溫松弛試驗實施方法”等[4]。

美國標準中，規定了四種應力下的應力松弛試驗方法和試驗裝置，是國際上比較全面的應力松弛標準之一。并推薦拉伸、壓縮試驗采用圓形或方形試樣，扭轉試驗采用圓形截面試樣。日本標準中，僅規定了拉伸應力松弛試驗，標準中包括了高溫試驗和常溫試驗。樣品尺寸只規定了標準尺寸和非標準尺寸試樣。蘇聯標準中規定了單軸向拉伸、彎曲和扭轉應力松弛試驗方法。對于彎曲試樣，規定了兩種環狀試樣，即等彎矩環狀試樣和等截面環狀試樣。法國標準中和國際建筑材料與結構試驗聯合會標準中規定了用于預應力鋼筋的拉伸應力松弛試驗方法。英國標準中規定了拉伸應力松弛的試驗方法，樣品可選用圓形截面和矩形截面。

3 國內標準與國外標準的差異

GB/T 10120《金屬應力松弛試驗方法》是非等效采用ASTM E328《材料和結構應力松弛試驗方法》，在技術內容上與ASTM E328有較大差異，主要是以歐洲標準EN 10319-1：2003為基礎，參考了美標ASTM 328日本標準JISZ 2276和ECCC推薦規范，并對相應標準技術性差異進行了比較分析，結合國內的實際情況，制定了GB/T 10120《金屬應力松弛試驗方法》。

該標準與EN10391：2003的技術差異及其原因如下：刪除了歐洲標準引言，適應我國的標準編寫和版式要求；修改了標準名稱，以擴大使用范圍，便于應用；刪除了歐洲標準參考書，適應我國的標準編寫和版式要求；修改了范圍，以增強適用性；對規范性引用文件的導語進行了相應修改，適應我國的標準編寫和版式要求；修改了引伸計的校準周期的要求，以提高試驗的可操作性；溫度允許的最大溫度梯度改為“3.4.5”對于要求嚴格的試驗，最大溫度梯度分別控制在“2.3.3”，以提高試驗的可操作性；增加了規范性附錄A“高溫環狀彎曲應力松弛試驗試樣、試驗程序及數據處理”，規定更全面和明確；將EN10391：2003資料性附錄A、附錄B相應改為附錄B、附錄C，適應我國的標準編寫和版式要求。

除此之外，國內對壓縮、扭轉應力松弛試驗方法還沒有相應的標準，GB/T 10120國標中的彎曲應力松弛方法由于樣品制備困難、不能直接反映出試驗材料的應力松弛特性，無法對絲材、片材進行測量等缺點限制了該標準的使用[5-6]。

4 國內彎曲、壓縮、扭轉應力松弛測試方法研究現狀

目前，中南大學的雷前等人[7]根據ASTM328標準中的彎曲應力松弛測試方法自行設計了一套操作簡單，成本低的試驗裝置，研究了超高強CuNiSi系彈性導電銅合金的應力松弛行為。江西理工大學的胡艷艷等人[8]也根據ASTM328標準自行設計了一套彎曲應力松弛測試裝置，研究了Cu-Zn-Al-Ni-Co合金的應力松弛行為。中南工業大學毛新平等人[9]自行設計出兩套應力松弛測量裝置，測定了鈹銅合金在室溫和高溫下的靜態應力松弛和動態應力松弛特性。總之，國內研究彎曲應力松弛測試裝置大都自行設計，單是彎曲應力作用下的片形試樣就有三點加載的雙三角形試樣，懸臂梁加載的梯形試樣和矩形試樣；應力加載方式有楔形加載和螺桿加載方式；初始應力的選擇更是不同，很難有一個統一的標準來評價。因此，制定金屬彎曲應力松弛試驗方法就顯得十分重要。

扭轉應力松弛試驗采用美國標準ASTM E328，該標準對試驗條件及設備作了具體的要求。國外S.T.Furr提出了采用包辛格扭轉試驗法[10-11]來研究彈簧材料的應力松弛行為，包辛格試驗方法的原理[12-14]是通過測定包辛格角ABT，用來表征彈簧及彈性元件的抗應力松弛性能。角越大，抗應力松弛性能越好。包辛格試驗工序簡單，重復性好，精度較高。實際中往往改用拉壓包辛格試驗法及回線面積法來研究彈簧材料抗應力松弛特性，使之更加接近彈性構件真實的應力狀態。其試樣一般采用圓柱樣或圓管，最小長徑比為20。

國內趙華等人[15]設計了一種新型扭簧應力松弛試驗裝置，在其基礎上做了多組高溫實驗。天津大學的劉斌[16]為探索微型的扭轉彈簧的應力松弛行為，精準預測其使用工作壽命，創新性的開發出扭轉型的彈簧試驗機，并進行了不同溫度下的應力松弛試驗。

5 總結及展望

相對美國、法國、歐洲等國家在應力松弛試驗方法標準方面，我國對彈性材料的要求不斷提高，許多客戶對材料提出了具有抗應力松弛特性的隱性需求，而國內應力松弛試驗方法標準少，限制了我國對高端連接器及精密接插件等材料進行更深層次的研發工作。因此，我國急需完善彎曲、壓縮和扭轉應力松弛方法方面的標準。

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