金屬材料室溫拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)對比

韓 燕 賈 亮

(中國第一重型機械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江161042)

拉伸試驗是標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣在靜態(tài)軸向拉伸力不斷作用下以規(guī)定的拉伸速度拉至試樣斷裂，在拉伸過程中連續(xù)記錄力與伸長從而求出其強度判據(jù)和塑性判據(jù)的力學(xué)性能試驗，是金屬材料力學(xué)性能試驗中最常見的試驗方法，它廣泛地應(yīng)用于金屬材料的研制、生產(chǎn)和驗收。

目前，我國正在大力發(fā)展核電，現(xiàn)在在建的多為二代改進(jìn)型核電站和AP1000型核電站，基本上分屬法國RCCM標(biāo)準(zhǔn)系列和美國ASTM/ASME標(biāo)準(zhǔn)系列。這兩個標(biāo)準(zhǔn)體系中，對試驗機、引伸計、試驗溫度、試驗速度、結(jié)果處理和數(shù)據(jù)修約方面的規(guī)定有所不同。為了方便實際運用，筆者將ISO和我國標(biāo)準(zhǔn)與RCCM、ASTM進(jìn)行了比較分析，以便運用者對其不同之處有清晰的認(rèn)識，防止在實際運用中混淆標(biāo)準(zhǔn)。

因拉伸試樣多采用圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣，所以，我們將以圓形標(biāo)準(zhǔn)試樣為例探討不同標(biāo)準(zhǔn)間的差異。

1 試驗機和引伸計

拉伸試驗設(shè)備主要包括試驗機和引伸計。試驗機是對試樣施加變形力并測定所施加力的系統(tǒng)。 引伸計是測定延伸(或位移)的系統(tǒng)，它們的準(zhǔn)確度直接影響試驗的結(jié)果。因此，試驗機和引伸計必須經(jīng)檢定合格，且在有效期內(nèi)才可使用。

不同的標(biāo)準(zhǔn)，對拉伸試驗機和引伸計的要求也有所不同，表1中列出了各標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。在實際應(yīng)用中，不同標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗機校定的標(biāo)準(zhǔn)也不同，而且引伸計的準(zhǔn)確度級別的分類也不同，使用者只有按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，選擇適用的引伸計，才能滿足不同技術(shù)規(guī)范的要求。例如，測定屈服強度時RCCM中要求引伸計應(yīng)選用1級，精度為±1%；ASTM A370中要求選用B2級，精度為±0.5%，GB中要求至少選用不劣于1級的引伸計；ISO與RCCM中的規(guī)定相同，而且引伸計的分類均滿足ISO 9513的要求。所以，在測定屈服強度時，ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中對引伸計的精度要求較高。

2 試樣尺寸(以常用圓形標(biāo)樣為例)

根據(jù)不同的采購規(guī)范或所引用的標(biāo)準(zhǔn)要求來選擇合適的拉伸試驗用試樣。在用于核電項目的拉伸試驗中多采用圓形標(biāo)樣來進(jìn)行試驗，所以，下面僅以常用的圓形標(biāo)樣為例，來說明不同標(biāo)準(zhǔn)中對試樣尺寸要求的異同，見表2。

需特別指出：在GB/T228中，一般K取5.65，但在相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，可以采用11.3的比例系數(shù)，此時，L0應(yīng)為10d(mm)。

表1 試驗機和引伸計Table 1 Testing machine and extensometer

表2 圓形拉伸試樣相關(guān)尺寸Table 2 Related dimensions of round tension test specimen

由表2可知，一些拉伸試樣尺寸的名稱及對應(yīng)字母符號有所不同，如標(biāo)距在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中用G表示，而在其它三個標(biāo)準(zhǔn)(RCCM、GB、ISO)中用L0表示。在ASTM標(biāo)準(zhǔn)中用A來表示減縮段長度，也就是在其它三個標(biāo)準(zhǔn)中所指的平行長度(Lc) 。RCCM和ISO 標(biāo)準(zhǔn)中對直徑為10 mm的拉伸試樣的尺寸規(guī)定都相同。ASTM 中圓形標(biāo)樣的直徑為12.5 mm±0.25 mm，大于其它三個標(biāo)準(zhǔn)中的圓形試樣直徑 。除了在尺寸上有所不同外，還有一點需要指出，即在RCCM、ISO及ASTM中，它們都只有一種比例的試樣，而在GB中有短比例和長比例兩種試樣。

3 室溫拉伸試驗的溫度范圍

溫度是影響材料的性能參數(shù)之一，對于某些特殊材料，某些溫度區(qū)間甚至是敏感參數(shù)。一般認(rèn)為，隨著溫度升高，金屬材料的強度指標(biāo)下降，塑性指標(biāo)上升，因此，運用者需要熟知不同標(biāo)準(zhǔn)中所要求的室溫拉伸的溫度范圍。在RCCM標(biāo)準(zhǔn)中試驗溫度范圍一般為10～35℃(除非另有規(guī)定)。對于在可控條件下進(jìn)行的試驗，溫度范圍應(yīng)為23±5℃(見EN 10002-1)。

在ASTM E8/E8M中指出：除非另有規(guī)定，室溫范圍為10～38℃；ASTM A370中沒有另行規(guī)定室溫的定義，所以應(yīng)沿用E8/E8M的規(guī)定。ISO 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的室溫范圍與RCCM中的規(guī)定完全相同。GB/T228 中指出：除非另有規(guī)定，試驗一般在10～35℃范圍內(nèi)進(jìn)行。對溫度要求嚴(yán)格的試驗，試驗溫度應(yīng)為23±5℃，基本與RCCM 相同。由此可見，ASTM標(biāo)準(zhǔn)中對室溫的要求范圍較其它三個標(biāo)準(zhǔn)的廣。

4 試驗速度(試驗速率)

不同的標(biāo)準(zhǔn)對于試驗的速度要求也有所不同，在拉伸試驗中拉伸強度的測定非常重要，也是產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范中重要的驗收項目，表3歸納了四個標(biāo)準(zhǔn)在測定拉伸強度時對于試驗速度的要求。

由表3可知，ASTM與其它三個標(biāo)準(zhǔn)比較，不論是測定屈服強度還是抗拉強度，試驗速度都有所不同，而RCCM、GB、ISO三者的要求相同。測定屈服點或屈服強度時，應(yīng)變速率在ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的下限要比其它三個標(biāo)準(zhǔn)的低；測定抗拉強度時，ASTM 規(guī)定的應(yīng)變速率的上限高于其它三個標(biāo)準(zhǔn)。

在具體對于試驗速度的選擇和應(yīng)用中，很多試驗室因試驗設(shè)備的約束，應(yīng)變速率和應(yīng)力速率很難在實際中控制，所以，在具體的試驗過程中，試驗人員一般用試驗機夾頭的分離速度來控制試驗速度。為了更深刻地理解標(biāo)準(zhǔn)間對于拉伸試驗速度的要求，本文以常用圓形拉伸試樣為例，比較幾個標(biāo)準(zhǔn)間對于拉伸試驗速度的差異。當(dāng)試樣平行長度(減縮段長度)為60 mm時，試驗機夾頭分離速度見表4。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)對試驗速度的規(guī)定Table 3 Speed of testing required in RCCM, ASTM, ISO and GB standard

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)中的拉伸速度比較(單位：mm/min)Table 4 Comparison of speed of testing in accordance with different standards mm/min

由表4可見，當(dāng)試樣平行長度(減縮段長度)為60 mm時，按照RCCM 、ISO和GB 的規(guī)定，拉伸速度的要求相同，但與ASTM A370中的要求有所不同。在測定屈服強度時，ASTM中所規(guī)定的最小試驗速度小于其它三個標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的最小值，但在測定抗拉強度時，最大試驗速度又大于其它三個標(biāo)準(zhǔn)中所要求的最大值。所以，在具體應(yīng)用中應(yīng)特別注意產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范中所引用的標(biāo)準(zhǔn)，以免混淆用錯。

5 試驗結(jié)果處理

關(guān)于延伸率(伸長率)結(jié)果的處理，不同標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定也不盡相同，見表5。

表5 不同標(biāo)準(zhǔn)對斷后伸長率結(jié)果的處理Table 5 Determining of percentage elongation after fracture in different standards

由表5可以看出，對于斷后伸長率結(jié)果的處理，RCCM、 GB和ISO 標(biāo)準(zhǔn)處理方法均相同，但與ASTM 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有所不同。

6 數(shù)據(jù)修約

6.1 ASTM/ASME 標(biāo)準(zhǔn)體系

在ASTM 標(biāo)準(zhǔn)體系中拉伸強度的試驗數(shù)據(jù)是需要進(jìn)行修約的。ASTM標(biāo)準(zhǔn)在世界材料和試驗領(lǐng)域，包括機械制造領(lǐng)域被廣泛地采用，尤其在AP1000型核電站鍛件的制造過程中被廣泛采用。下面就三個與拉伸試驗有關(guān)的數(shù)據(jù)修約的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸納。

(1)ASTM E29

E29是用試驗數(shù)據(jù)中的有效數(shù)字來確定技術(shù)條件的符合性的規(guī)范，即將觀察到的數(shù)據(jù)或計算出來的試驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)條件極限相比較，以確定對技術(shù)條件的符合性。

當(dāng)適用的其它ASTM技術(shù)條件或標(biāo)準(zhǔn)直接引用該標(biāo)準(zhǔn)時，也是判斷其對技術(shù)條件的符合性 。

該標(biāo)準(zhǔn)同時提供了絕對法和修約法兩種方法，且僅在所選方法已經(jīng)確定時才能引用該標(biāo)準(zhǔn)。

對于絕對法，該標(biāo)準(zhǔn)給出了何處適用 、如何適用以及如何表達(dá)的描述。

對于修約法，該標(biāo)準(zhǔn)討論得非常詳盡，對于各種情況下如何表達(dá)都進(jìn)行了討論和規(guī)定。

對于修約程序，E29規(guī)定：當(dāng)修約一個規(guī)定了有效位數(shù)的數(shù)字，選用最為接近的那個；假如有兩個可能的選擇，如當(dāng)數(shù)字正好為“5”或在“5”后面只有0，就選擇可成為偶數(shù)的那個；修約后的值應(yīng)該一次性地從可得到的最精確的值中直接獲得，而不能用兩次或多次后續(xù)的修約。

(2) ASTM A370

ASTM A370 中的附件A8《試驗數(shù)據(jù)的修約》中的規(guī)定如下：測定值或計算值應(yīng)根據(jù)所用產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修約。當(dāng)沒有規(guī)定的修約方法時，應(yīng)采用實用規(guī)程E29的修約方法進(jìn)行修約。當(dāng)按照E29的規(guī)則確定時，數(shù)值可向上修約或向下修約。

在修約數(shù)字為“5”的特殊情況下，當(dāng)在“5”后面除了0外沒有另外數(shù)字時，若遵照E29會導(dǎo)致材料拒收的情況下，修約就應(yīng)該朝著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的限值方向進(jìn)行。

最后對于試驗數(shù)據(jù)的報告值進(jìn)行修約的推薦用級別已在標(biāo)準(zhǔn)中給出。

(3)ASTM E8/E8M

使用該標(biāo)準(zhǔn)首先對屈服強度和抗拉強度的報告試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行修約，試驗數(shù)據(jù)應(yīng)按E29及產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的程序進(jìn)行修約。若沒有數(shù)據(jù)修約的規(guī)定程序時，如試驗值≤500 MPa，修約到最為接近的1 MPa；如試驗值為500～1 000 MPa，修約到最為接近的5 MPa；如試驗值≥1 000 MPa時，修約到最為接近的10 MPa。

6.2 RCCM標(biāo)準(zhǔn)

RCCM 中規(guī)定室溫拉伸應(yīng)按照NF EN 10002-1來執(zhí)行，在這個標(biāo)準(zhǔn)中沒有試驗數(shù)據(jù)修約的規(guī)定。雖然在RCCM中也有引用ASTM A 370為參考文件，但只引用了A370中關(guān)于沖擊試驗中的纖維斷面率和側(cè)膨脹量方面的內(nèi)容，與拉伸試驗無關(guān)。所以，以目前RCCM 標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定來看，拉伸強度數(shù)據(jù)是不進(jìn)行修約的。但在NF EN 10002-1中規(guī)定：對于斷后伸長率可以修約到最為接近的0.5%。

6.3 ISO標(biāo)準(zhǔn)

ISO制定的關(guān)于數(shù)字修約的標(biāo)準(zhǔn)是ISO 80000-1《量和單位-第1部分：總則 附錄B 數(shù)字修約》。

主要內(nèi)容有：

(1)首先對修約給出了定義；

(2)如果只有一個整數(shù)倍最接近給定數(shù)，那么就用它作為修約數(shù)；

(3)如果有兩個連續(xù)的整數(shù)倍數(shù)同樣接近于給定的這個數(shù)，那么就有兩個不同的規(guī)則可用，即：選擇偶數(shù)整數(shù)倍數(shù)作為修約數(shù)(通常優(yōu)先使用)；選較大的整數(shù)倍數(shù)作為修約數(shù)(廣泛用于計算機中)。

(4)只進(jìn)行一次修約；

(5)修約間隔應(yīng)予給定。

6.4 GB標(biāo)準(zhǔn)

GB/T8170 《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判斷》中規(guī)定的進(jìn)舍規(guī)則是：

(1)擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字小于5，則舍去，保留其余各位數(shù)字不變；

(2)擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字大于5，則進(jìn)一，即保留數(shù)字的末位數(shù)字加1；

(3)擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字是5，且其后有非0數(shù)字時進(jìn)一，即保留數(shù)字的末位數(shù)字加1；

(4)擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字為5，且其后無數(shù)字或皆為0時，若所保留的末位數(shù)字為奇數(shù)則進(jìn)一，若為偶數(shù)，則舍去；

(5)不允許連續(xù)修約。

第(1)、(2)和(3)條是通則，第(4)條與ISO 80000-1 的兩條規(guī)定之一(見上述6.3)相符，也與E29 的規(guī)定相符，但與A370的相關(guān)規(guī)定不完全一致。

在產(chǎn)品的常溫拉伸試驗中，拉伸強度很重要，所以，試驗人員對于拉伸強度數(shù)據(jù)能否修約的問題就必須嚴(yán)格按照不同標(biāo)準(zhǔn)的要求來判定，尤其對于臨近產(chǎn)品采購規(guī)范規(guī)定的極限值時，該判定結(jié)果非常關(guān)鍵?？偟膩碚f，RCCM 中拉伸強度不能進(jìn)行修約，其它的幾個標(biāo)準(zhǔn)都可以進(jìn)行修約，但運用者須注意不同標(biāo)準(zhǔn)對于修約的特殊規(guī)定。

7 結(jié)束語

分別從試驗機、引伸計、試驗溫度、試驗速度、結(jié)果處理和數(shù)據(jù)修約方面分析比較了RCCM、ASTM、ISO與國家標(biāo)準(zhǔn)之間的不同要求。為了方便實際運用，以核電項目常用拉伸試樣，即圓形標(biāo)樣為例進(jìn)行比較，得出在不同標(biāo)準(zhǔn)間上述規(guī)定是有所不同的，尤其在ASTM和RCCM標(biāo)準(zhǔn)間差異比較明顯。測定屈服強度時，ASTM標(biāo)準(zhǔn)對引伸計的精度要求較高；ASTM標(biāo)準(zhǔn)中圓形標(biāo)樣的直徑大于其它三個標(biāo)準(zhǔn)中的試樣直徑；對于室溫的范圍，ASTM標(biāo)準(zhǔn)較其它三個標(biāo)準(zhǔn)的范圍廣；測定屈服強度和抗拉強度的拉伸速度及對斷后伸長率的結(jié)果處理方面，ASTM 與RCCM、GB、ISO規(guī)定不同；在數(shù)據(jù)修約方面，RCCM 不對拉伸強度值進(jìn)行修約，其它三類標(biāo)準(zhǔn)都可以進(jìn)行修約，但規(guī)定不盡相同。通過對不同標(biāo)準(zhǔn)間的比較，為在實際生產(chǎn)中準(zhǔn)確的理解和運用標(biāo)準(zhǔn)起到了很好的指導(dǎo)作用。

[1] RCCM—2000, MC1000 Mechanical, Physical, Physico-chemical and Chemical tests [S].

[2] ASTM A 370-03 Standard Test Methods and Definition for Mechanical Testing of Steel Products [S].

[3] ISO ISO6892—98 Metallic material-Tensile testing at ambient temperature [S].

[4] GB/T 228—2002金屬材料室溫拉伸試驗方法[S].

[5] 王濱.ASTM標(biāo)準(zhǔn)與我國金屬拉伸試驗標(biāo)準(zhǔn)中力學(xué)性能名稱和定義對照[J].理化檢驗-物理分冊，2004，40(8)：430.

[6] 闞玉琦，趙家鎮(zhèn)，等.力學(xué)性能試驗中的數(shù)據(jù)修約[J].理化檢驗-物理分冊，2009，45(11)：693-695.

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