ASTM E8/E8M-16ae1 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的主要變化解析

孫 宏

（渤海石油裝備華油鋼管公司， 河北 青縣062658）

0 前 言

ASTM E8/E8M 《金屬材料標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)方法》 是國際上廣泛應(yīng)用的拉伸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)之一， 其最新版本為ASTM E8/E8M-16ae1[1]。 經(jīng)過近幾年的修訂， 該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了較大的變化， 特別是2015 年和2016 年。 2015 年6 月， 美國材料與試驗(yàn)協(xié)會 （ASTM） 將ASTM E8/E8M-15[2]修訂為ASTM E8/E8M-15a[3]， 此次修訂的變化比較大，主要對拉伸試驗(yàn)過程中與理想曲線偏離的幾種情況進(jìn)行了匯總， 增加了附件X5， 這些偏離情況在實(shí)驗(yàn)室拉伸試驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)， 因此有必要針對這些情況進(jìn)行探討， 并與現(xiàn)有拉伸試驗(yàn)設(shè)備特別是拉伸試驗(yàn)軟件進(jìn)行對比分析。 2016 年9月， 美國材料與試驗(yàn)協(xié)會發(fā)布了ASTM E8/E8M-16[4]的修訂版——ASTM E8/E8M-16a[5]， 此次修訂后該標(biāo)準(zhǔn)也發(fā)生了較大變化， 而最新的ASTM E8/E8M-16ae1 相對ASTM E8/E8M-16a 則僅做了編輯性修訂， 本研究將針對具體條款分析目前的拉伸設(shè)備能力及應(yīng)對措施。

1 ASTM E8/E8M-15a 主要變化內(nèi)容及應(yīng)對

1.1 對原標(biāo)準(zhǔn)中7.7 章節(jié)進(jìn)行了修訂

（1） 增加了 “注30”。 與沒有屈服點(diǎn)伸長（YPE） 的材料相比， 屈服點(diǎn)伸長材料的屈服性能的重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性更差。 偏置法和負(fù)荷下伸長（EUL） 法測屈服強(qiáng)度可能會受到應(yīng)力-應(yīng)變曲線與偏移或延伸相交區(qū)域應(yīng)力波動的嚴(yán)重影響， 如圖1 所示。 雖然這些性能會受到試驗(yàn)機(jī)的剛度、校準(zhǔn)及試驗(yàn)速度等變量的影響， 但是對于這些材料而言， 確定上、 下屈服強(qiáng)度 （或者兩者都有）可能更好。 ASTM E8/E8M 中偏置法測得的屈服強(qiáng)度等同于GB/T 228 中的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度，負(fù)荷下伸長法測得的屈服強(qiáng)度等同于GB/T 228中的規(guī)定總延伸強(qiáng)度。 該注釋的增加有助于理解屈服強(qiáng)度測量方法的選擇。

圖1 具有屈服點(diǎn)伸長材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（2） “注31” （原標(biāo)準(zhǔn)為“注30”） 中最后一行進(jìn)行了更改， 由原來的“推薦使用平均型引伸計(jì)” 改為 “適宜使用平均型引伸計(jì)”。 為方便安裝引伸計(jì)， 一般情況下采用單側(cè)引伸計(jì)， 這對于對中較好的圓棒拉伸試樣而言足以滿足要求，但對于矩形試樣（如管材類產(chǎn)品） 宜使用平均型引伸計(jì)， 即雙引伸計(jì)。 該引伸計(jì)能夠同時獨(dú)立檢測試樣兩側(cè)的變形值， 最終變形值為兩者的平均值。 使用平均應(yīng)變消除了由于試樣彎曲引起的誤差， 也可以克服試樣對中不好的問題， 可確定精確的彈性模量值。

（3） “注33” （原標(biāo)準(zhǔn)為“注32”） 中“在實(shí)際操作中， 由于各種原因， 應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段部分（圖21 中直線oA） 可能不會通過原點(diǎn)o”之后的內(nèi)容全部刪除， 增加了附錄X5 中給出非理想狀態(tài)的實(shí)例， 同時給出了針對不同非理想狀態(tài)下計(jì)算屈服強(qiáng)度的建議方法。

（4） 刪除了“圖22”， 對“圖21” 進(jìn)行了修訂。 修訂后的 “圖21” 增加了垂直于應(yīng)變軸的pq 線， 此處可以理解為 “圖21” 與 “圖22” 進(jìn)行了合并。

（5） “7.7.2” 條款中負(fù)荷下伸長法測定屈服強(qiáng)度的方法 “采用自動或數(shù)字設(shè)備確定應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)， 然后分析這個數(shù)據(jù)來確定規(guī)定延伸下的應(yīng)力值， 或者采用設(shè)備規(guī)定延伸下的應(yīng)力， 從而確定應(yīng)力值 （注34）” 改為 “分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定規(guī)定延伸下的應(yīng)力值， 或者采用設(shè)備規(guī)定延伸下的應(yīng)力， 從而確定應(yīng)力值”。

（6） “注34” 變更為“7.7.2.1” 條款， 此條款內(nèi)容沒有變化。 由于規(guī)定總延伸強(qiáng)度相比采用偏置法測定的屈服強(qiáng)度（也稱為規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度） 更容易實(shí)現(xiàn)， 特別是在采用諸如機(jī)械式引伸計(jì)等不具備繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線的條件下， 實(shí)踐中可以將這兩種方法進(jìn)行對比以判斷屈服強(qiáng)度測試結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

（7） “7.7.3” 條款由原來的 “自動圖示法（對于不連續(xù)屈服材料） 獲得應(yīng)力-應(yīng)變 （或者力-伸長） 數(shù)據(jù)， 或者采用自動設(shè)備建立一個應(yīng)力-應(yīng)變 （或者力-伸長） 曲線， 確定上下屈服強(qiáng)度” 變更為 “對于表現(xiàn)出不連續(xù)屈服的材料， 采用應(yīng)力-應(yīng)變 （或者力-伸長） 曲線確定上下屈服強(qiáng)度?！?/p>

“7.7.3.1” 條款中由原來的 “記錄不連續(xù)屈服的首次最大應(yīng)力為上屈服強(qiáng)度， 如圖23 和24所示” 變更為“記錄首次不連續(xù)屈服的最大力對應(yīng)的應(yīng)力為上屈服強(qiáng)度， 如圖22 和23 所示， 如果從不連續(xù)屈服開始觀察到多個峰值， 第一個被認(rèn)為是上屈服強(qiáng)度（見圖23）”。

另外， 刪除了“注36” 和“注37”， 增加了7.7.3.3 “大應(yīng)變數(shù)據(jù)需要測量可能會出現(xiàn)不連續(xù)屈服材料的屈服點(diǎn)伸長率， 可采用C 級引伸計(jì)。當(dāng)試驗(yàn)完成后材料并沒有表現(xiàn)出不連續(xù)屈服時，負(fù)荷下延伸屈服強(qiáng)度可以使用應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見負(fù)荷下延伸法） 確定”。

1.2 增加了附件X5

（1） 在許多情況下， 應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離“圖21” 所示的理想行為。 采用偏置法 （7.7.1）或負(fù)荷下伸長法（7.7.2） 計(jì)算屈服強(qiáng)度時， 應(yīng)對這些偏差進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觥?/p>

（2） “圖X5.1” 為理想狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和5 種偏離理想狀態(tài)的曲線。 本附錄提出了當(dāng)偏離出現(xiàn)時偏置法和負(fù)荷下延伸法計(jì)算屈服強(qiáng)度的方法。

（3） “圖X5.1a” （本文中圖2） 為理想狀態(tài)曲線， 直線OA 與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線部分重疊，o 點(diǎn)與原點(diǎn)重合。 對于偏置法， mn 平行于oA， 與應(yīng)變軸相交的距離為x； 對于負(fù)荷下延伸法， pq 垂直于應(yīng)變軸， 與oA 線和應(yīng)變軸交點(diǎn)距離為y。

圖2 理想狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（4） “圖X5.1b” （本文中圖3） 為當(dāng)引伸計(jì)夾持到試樣上后， 產(chǎn)生一個負(fù)的應(yīng)變值的情況。 該情況比較常見， 一般情況下， 目前常用的拉伸測試程序可以自動計(jì)算出真實(shí)原點(diǎn)o′， 然后根據(jù)o′m 或o′p 計(jì)算出正確強(qiáng)度值， 但需要注意負(fù)應(yīng)變值不應(yīng)過大而超過彈性段起點(diǎn)。 如果不能通過拉伸測試程序自動計(jì)算， 就需要人工判斷曲線是否正確， 并采用人工方法按照圖3進(jìn)行修正。

圖3 偏離理想狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線一

（5） “圖X5.1c” （本文中圖4） 為引伸計(jì)夾持到試樣上， 加載一定力后有滑動的情況。 這種情況可能是引伸計(jì)夾持穩(wěn)固造成的， 應(yīng)力-應(yīng)變曲線的真實(shí)原點(diǎn)o′位于原o 點(diǎn)的右側(cè)。 對于打滑不大的情況， 即不超過程序設(shè)定的彈性段起點(diǎn)， 目前常用的測試程序可以自動找到真實(shí)原點(diǎn)o′， 并得出正確結(jié)果， 但需要注意試驗(yàn)程序的修正是否正確， 負(fù)應(yīng)變值不應(yīng)過大而超過彈性段起點(diǎn)， 這也可以通過平行線判斷結(jié)果是否正確。 如果試驗(yàn)程序的修正不正確， 則需要人工計(jì)算修正， 或者認(rèn)定無效重新進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4 偏離理想狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線二

（6） “圖X5.1d” （本文中圖5） 為由于試樣不同軸或者存在殘余應(yīng)力， 當(dāng)加載一定力后試樣矯直的情況。 當(dāng)應(yīng)變的偏離不大的情況下， 測試程序可以自動找到真實(shí)原點(diǎn)o′， 并得出正確結(jié)果， 但需要注意測試程序的修正是否正確， 負(fù)應(yīng)變值不應(yīng)過大而超過彈性段起點(diǎn)， 這也可以通過平行線判斷結(jié)果是否正確。 如果試驗(yàn)程序的修正不正確， 則需要人工調(diào)整彈性段的起點(diǎn)和終點(diǎn)來重新計(jì)算修正。 如果非彈性段過長， 人工計(jì)算仍然不能修正， 則認(rèn)定無效重新進(jìn)行試驗(yàn)。

圖5 偏離理想狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線三

（7） “圖X5.1e” （本文中圖6） 為當(dāng)加載一定力后， 試樣滑動干擾引伸計(jì)的情況。 對于打滑不大的情況， 即不超過程序設(shè)定的彈性段起點(diǎn)， 測試程序可以自動找到真實(shí)原點(diǎn)， 并得出正確結(jié)果， 但需要注意試驗(yàn)程序的修正是否正確。如果試驗(yàn)程序的修正不正確， 則需要人工計(jì)算修正， 或者認(rèn)定無效重新進(jìn)行試驗(yàn)。 試驗(yàn)完成后，應(yīng)及時分析試樣打滑的原因， 并消除打滑現(xiàn)象。

圖6 偏離理想狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線四

（8） “圖X5.1f” （本文中圖7） 為試樣彎曲或者卷曲的情況。 對于彎曲程度不大的情況，即不超過程序設(shè)定的彈性段起點(diǎn)， 測試程序可以自動找到真實(shí)原點(diǎn)o′， 并計(jì)算出正確結(jié)果， 但需要注意試驗(yàn)程序的修正是否正確， 負(fù)應(yīng)變值不應(yīng)過大而超過彈性段起點(diǎn)， 這也可以通過平行線判斷結(jié)果是否正確。 如果試驗(yàn)程序的修正不正確， 則需要人工計(jì)算修正， 或者認(rèn)定無效重新進(jìn)行試驗(yàn)。

圖7 偏離理想狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線五

（9） “圖X5.9” 在以上五種非理想狀態(tài)下，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線段部分不再處于原點(diǎn)o 處，取而代之的， 直線o′A 交于應(yīng)變軸的o′點(diǎn)， 偏置法中， 直線mn 平行于直線o′A， 距離o′點(diǎn)為x； 負(fù)荷下延伸法中， 直線pq 線垂直于應(yīng)變軸，與o′距離為y。

ASTM E8/E8M-15a 新增的 “附件X5” 給出了理想狀態(tài)及五種非理想狀態(tài)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線， 這些非理想狀態(tài)曲線反映了實(shí)際拉伸試驗(yàn)過程中時常遇見的幾種異常情況。 對于這些情況的識別及正確處理對于獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果非常重要。 需要指出的是， 以上五種非理想狀態(tài)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的彈性段， 但是， 對于各種原因造成的彈性段不明顯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，修正時應(yīng)謹(jǐn)慎對待。

除了ASTM E8/E8M-15a 新增的 “附件X5”規(guī)定的這五種情況， 鋼管產(chǎn)品的管體橫向拉伸試樣、 取自熱軋板卷的拉伸試樣（試樣方向與軋制方向不垂直時）， 由于其彎曲狀態(tài)而無法直接進(jìn)行試驗(yàn)， 應(yīng)壓平后再可進(jìn)行試驗(yàn)。 由于鋼管制造過程中的包申格效應(yīng)和加工硬化的綜合影響， 管體橫向試樣的拉伸試驗(yàn)曲線常常呈現(xiàn)連續(xù)屈服現(xiàn)象， 沒有屈服平臺。 采用板狀試樣時， 試樣的壓平程度或彎曲度會造成拉伸試驗(yàn)曲線的失真， 試驗(yàn)結(jié)果偏差較大， 特別是Rt0.5分散度大， 而圓棒試樣及管體縱向試樣則較少出現(xiàn)這種情況。 因此， 對橫向板狀試樣應(yīng)盡可能按標(biāo)準(zhǔn)把試樣的不平度減到最小， 并且把試樣加工盡可能光滑、 平整， 特別是夾持部位， 以保證拉伸過程平穩(wěn)[6]。有研究表明， 試驗(yàn)的壓平程度或彎曲度不宜小于0.3 mm/50 mm[7]。

2 不同版本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容變化及應(yīng)對

2.1 ASTM E8/E8M-16

與ASTM E8/E8M-15a 相比， ASTM E8/E8M-16 主要是更正了錯誤和編輯性修改： ①修訂了“圖9”， 變更了尺寸的標(biāo)注方法， 更正了圖中試樣3 的縮減部分長度標(biāo)注的錯誤； ②修訂了“圖15”，變更了尺寸的標(biāo)注方法， 更正了圖中試樣的縮減部分長度標(biāo)注的錯誤； ③修訂了 “圖17”， 更正了圖中試樣的縮減部分長度標(biāo)注的錯誤； ④修訂了 “圖19”， 縮減部分長度從 “2 個半長度A”變更為“1 個長度A”。

2.2 ASTM E8/E8M-16a

相對上一版本， ASTM E8/E8M-16a 修訂了條款 “2.1 與5.1”， 增加了新術(shù)語 “3.1.7、 7.6.2和“附注15”： ①修訂了“2.1”， 增加了“ASTM E2658 材料試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)速度校驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程”； ②修訂了條款 “5.1”， 與條款 “2.1” 的修訂相對應(yīng)， 條款 “5.1” 的最后增加了 “當(dāng)需要對試驗(yàn)機(jī)的速度進(jìn)行校驗(yàn)時， 除另有規(guī)定外， 應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程ASTM E2658”； ③增加了條款 “7.6.2” 及其 “附注15”， 條款 “7.6.2” 中其他適用的規(guī)范可能需要校驗(yàn)試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)速度。在這種情況下， 除非另有規(guī)定， 應(yīng)當(dāng)依據(jù)方法E2658 對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)， 至少達(dá)到E 級。 “注15” 中某些材料/場合對試驗(yàn)速度相當(dāng)敏感， 而另一些則不是。 在通用的拉伸試驗(yàn)中， 試驗(yàn)速度的顯著變化常常是可以接受的。 這3 處修訂均涉及ASTM E2658， 相關(guān)規(guī)范需要對試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)速度進(jìn)行校驗(yàn)時， 應(yīng)對萬能材料試驗(yàn)機(jī)的速度進(jìn)行校驗(yàn)或校準(zhǔn)， 以符合標(biāo)準(zhǔn)要求， 校驗(yàn)方法采用ASTM E2658。 由于在實(shí)際工作中， 可能事先不知道所試驗(yàn)材料的試驗(yàn)速度敏感性， 因此建議對萬能材料試驗(yàn)機(jī)的速度進(jìn)行校驗(yàn)或校準(zhǔn)。

另外， 新版條款“4.4.3” 術(shù)語部分增加了新術(shù)語， 即條款“3.1.7” 縮減平行部分， 并在本試驗(yàn)方法所有章節(jié)中采用 “縮減平行部分” 代替“縮減部分”。 該變更不影響標(biāo)準(zhǔn)的正常使用。

2.3 ASTM E8/E8M-16ae1

與ASTM E8/E8M-16a 相比， ASTM E8/E8M-16ae1 僅做了一處編輯性修正。 修訂了條款“9.1精密度”。 具體為： 將 “CV%R=實(shí)驗(yàn)室間重復(fù)性偏差系數(shù)百分?jǐn)?shù)” 中 “重復(fù)性” 替換為 “再現(xiàn)性”。 修改后， 術(shù)語變得更加準(zhǔn)確。

3 結(jié) 論

（1） 從ASTM E8/E8M-15 到ASTM E8/E8M-16ae1， 該拉伸試驗(yàn)方法的技術(shù)內(nèi)容發(fā)生了較大的變化， 同時也修訂了部分編輯性錯誤， 在使用時予以注意。

（2） 特別地， 對于從ASTM E8/E8M-15 到ASTM E8/E8M-15a， 修訂后的標(biāo)準(zhǔn)將在實(shí)際試驗(yàn)過程中可能會遇到的五種非理想狀態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行了匯總， 并提出了要求， 對于拉伸試驗(yàn)實(shí)際操作有很大指導(dǎo)意義。

（3） ASTM E8/E8M-15 新增的五種非理想狀態(tài)試驗(yàn)， 經(jīng)過對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行技術(shù)分析后發(fā)現(xiàn)， 現(xiàn)有的設(shè)備及常用拉伸試驗(yàn)軟件可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。 如果拉伸試驗(yàn)軟件不具備相關(guān)修正功能， 應(yīng)先判定是否為正常拉伸過程， 否則應(yīng)采取人工修正的方式進(jìn)行修正。