中美金屬材料拉伸試驗方法標準差異分析

1.1 拉伸試樣的制作

對于拉伸試樣的尺寸以及試樣的取樣位置，國標與ASTM E8/E8M還是存在較多差別的。

GB228金屬材料拉伸試驗試件制作通常根據(jù)產(chǎn)品的特點，將平行長度段試件按截面形狀分為矩形、圓形和異形（例如：多邊形及管形）三類。

表1 GB228拉伸試樣取樣標準

厚度為0.1mm～3 mm的薄板和薄帶的拉伸試樣采用全截面矩形試樣，可采用比例試樣和非比例試樣，比例試樣又可分為短比例試樣（k=5.65）和長比例試樣（K=11.3），二者都可使用的條件下應(yīng)優(yōu)先使用短比例試樣。對于寬度等于或小于20mm的金屬制品，試樣寬度可以相同于產(chǎn)品寬度。對于寬度大于20mm的金屬制品，其拉伸試樣的寬度應(yīng)機加工寬度為10mm、12.5mm、15mm、20mm（非比例試樣為12.5mm、20mm）等6種不同的尺寸規(guī)格。

厚度大于或等于3mm的板材和扁材及直徑和厚度大于或等于4mm的線材、棒材和型材的拉伸試樣可采用矩形和圓形截面，可采用比例試樣和非比例試樣，比例試樣又可分為短比例試樣（k=5.65）和長比例試樣（K=11.3），二者都可使用的條件下應(yīng)，優(yōu)先使用短比例試樣（見GB/T 228附錄B）。通常情況下金屬材料拉伸試樣采用全截面試樣，當直徑或厚度大于25mm而試驗設(shè)備能力不足時，可進行機加工減薄成比例試樣，矩形截面試樣推薦寬厚比不超過8：1；圓形截面試樣其平行長度的直徑不應(yīng)小于3 mm。

直徑和厚度小于4mm的線材、棒材和型材的拉伸試樣采用不經(jīng)機加工全截面矩形非比例試樣。

ASTM E8/E8M和A370標準中均要求盡可能的采用全厚度或全截面試樣，規(guī)定了3種矩形截面試樣和5種圓形截面試樣供選擇使用。

矩形截面試樣均為板材拉伸試樣，適用于薄板、帶材、扁線材和板材。其與GB/228中的矩形試樣相比大的特點是尺寸規(guī)格較少，只有3種且是定標距試樣，無比例和非比例試樣之說。其寬度為40 mm的試樣適應(yīng)于厚度≥5 mm的板材，寬度為12.5 mm的試樣適應(yīng)于厚度≤19 mm的板材，寬帶為6 mm的試樣適應(yīng)于厚度≤6 mm的板材。E8和A370中沒有規(guī)定板材試樣適用產(chǎn)品的厚度上限，但標準中矩形試樣均為金屬制品的全厚度試樣，因此如產(chǎn)品無特別指出，可根據(jù)試驗機的能力來確定板材試樣的大厚度。寬度為40 mm和12.5mm的試樣為標準矩形試樣，只有當金屬制品尺寸無法制各標準試樣時才能使用寬帶為6 mm的小試樣。

圓形截面試樣。在ASTM E8中，標準提供了英制和公制兩種單位試樣標準

表2 美國標準拉伸試樣取樣標準

1.2 試樣標距

試樣在拉伸前刻畫標距是用來測定金屬材料延伸率，以表征金屬材料制品彈塑性變形能力。

GB/228標準附錄A～C中厚度不小于3mm的板材和扁材、直徑和厚度大于4 mm的線材、棒材和型材、厚度為0.1mm～0.3mm的薄板和薄帶的拉伸試樣標距可選比例標距或非比例標距，比例標距L₀=KS0' type="#_x0000_t75"> ，k為比例系數(shù)，其中短比例k=5.65、長比例k=11.3，計算值修約至5mm的整數(shù)倍。試樣應(yīng)優(yōu)先使用短比例標距，如標距≤15 mm，應(yīng)使用長比例標距，如依然不能滿足，應(yīng)選用非比例標距。直徑和厚度小于4 mm的線材、棒材和型材的拉伸試樣只采用非比例標距。

ASTM E8/E8M標準中，矩形截面試件無論是公制單位還是英制單位均采用非比例固定標距；圓形截面試件及不需機加工的圓形全截面試件則采用比例標距，且在使用公制單位和英制單位時，標距的大小是不一致的，公制單位標準中試樣標距G=5D，英制單位標準中試樣標距G=4D。對于ASTM標準評價的產(chǎn)品（除非有特別說明的），其圓形試樣延伸率都是針對G= 4D試樣，因此它與中國GB/228標準中延伸率的測定是有很大的不同的。A370與E8/E8M在機加工試件標距規(guī)定上基本是相同的，但在其標準的第8.2條款中規(guī)定：當采用全截面試件時，如產(chǎn)品標準沒有另行規(guī)定，標距應(yīng)按8英寸（200mm）進行測量。因此在產(chǎn)品測試時應(yīng)關(guān)注產(chǎn)品標準在試驗方法使用上的具體規(guī)定，如未加規(guī)定應(yīng)按E8/E8M這個通用標準來執(zhí)行較為合適。

1.3 試樣原始橫截面的測定

GB/228標準中試樣原始橫截面的測定按表3來計算，并至少保留4位有效數(shù)字。

表3 標準中試樣原始橫截面積測定

在ASTM E8/E8M和A370標準中，為了保證試樣斷裂位置在標距內(nèi)，允許試樣平行段從兩端到中間逐漸減少，形成一個錐度，但這個錐度應(yīng)不大于1％。因此試樣原始橫截面測量只需在試樣標距中心測量，按S0 =πd²或S₀=ab計算即可。

1.4 試驗機設(shè)備和測量設(shè)備

1.4.1 試驗機

中美標準中試驗機測試準確度均要求為1級或優(yōu)于1級準確度。試驗開始前必須按GB/T16825進行檢驗；美標按ASTM E4進行檢驗，要求示值誤差不大于±1％。

1.4.2 引伸計

國標規(guī)定引伸計應(yīng)符合GB/T 12160標準要求，美標應(yīng)符合ASTM E83。在測定金屬材料的性能時，選用引伸計精度的等級見表4。從表中可以看出美標在測定同一性能指標時，引伸計級別要求高于國標要求。

表4 引伸計精度的等級

1.5 試驗控制過程

1.5.1 室溫拉伸試驗的溫度控制

在GB/228標準中規(guī)定室溫范圍10～35℃；E 8/E8M標準中室溫范圍為10～38℃；A370中雖未規(guī)定室溫范圍，但大多金屬制品標準及焊接規(guī)程在引用 370時，通常要求拉伸試驗溫度不低于10℃，因此在實踐過程中，可依據(jù)E8/E8M來控制。

1.5.2 試驗速率控制

GB/228標準中試驗速率有應(yīng)力速率（N/mm2·S-1）、應(yīng)變速率（m/m·S-1）、試驗機夾頭分離速率三種控制方法。拉伸試驗過程中，在彈性階段采用應(yīng)力速率控制方法，接近屈服時應(yīng)過渡到應(yīng)變控制，平行長度內(nèi)的應(yīng)變應(yīng)盡可能的保持恒定，屈服結(jié)束后可調(diào)整應(yīng)變速率至試樣斷裂。如試驗機無應(yīng)變控制系統(tǒng)，則從屈服即將開始前到屈服完成不再對試樣機油門進行調(diào)節(jié)，屈服結(jié)束后按應(yīng)力速率至試樣斷裂。除非產(chǎn)品標準另有規(guī)定，試驗速率應(yīng)符合表5要求。

表5 試驗速率

在E8/E8M和A370標準中試驗速率除與GB/228相同的應(yīng)力速率、應(yīng)變速率、試驗機夾頭分離速率三種方法外，還有試驗時間和空載十字速率。在ASTM標準體系里，試樣速度控制方式以及試樣速率范圍的選擇是產(chǎn)品標準的責(zé)任，當產(chǎn)品標準或規(guī)范中沒有規(guī)定時，可按E8/E8M和A370標準中試驗速率來執(zhí)行。除非產(chǎn)品標準另有規(guī)定，試驗速率應(yīng)符合表5要求。

測定屈服性能時，在達到規(guī)定屈服強度的一半或抗拉強度的四分之一前至屈服結(jié)束這個階段，E8/E8M要求按應(yīng)力速率（1.15～11.5N/mm²·S^-1）控制，在實際操作中，試樣開始屈服時，應(yīng)力速度持續(xù)下降，甚至出現(xiàn)負值，要保持這個應(yīng)力速率，就要求試驗機油門開的很大，這樣就會造成屈服強度偏高，顯然不切合實際。不過在A370標準中則規(guī)定按應(yīng)變速率（0.0001～0001/S ）控制，因此實驗過程中可參考A370來執(zhí)行。同GB/228標準中相比，E8/E8M和A370測定屈服性能的試驗速率略低；抗拉強度測定的應(yīng)變速率為0.0008～0.008/s，而GB/228標準中無下限要求。

1.6 屈服性能的測定

GB/228與E8/E8M測定屈服性能的方法基本相同，主要采用下列4種方法。

圖解法：主要用于測定上、下屈服強度。試驗時記錄力-延伸或力-位移曲線，從圖中讀取力下降前的大力（上屈服強度）和不計初始瞬時效應(yīng)時屈服階段的小力（下屈服強度）。如可以使用計算機自動記錄，可不用繪制曲線。

指針方法：試驗從測力度盤上讀取力下降前的大力（上屈服強度）和不計初始瞬時效應(yīng)時屈服階段的小力（下屈服強度）。如可以使用計算機自動記錄，該方法實際上記錄的是力-時間的曲線。E8/E8M標準中稱為“力停止法”，規(guī)定只能測定上屈服強度。

規(guī)定非比例延伸法：E8/E8M標準中稱為“偏移法”，與GB/228中規(guī)定非比例延伸強度測定的方法一致。該方法主要用于測定屈服強度不明顯的材料，通常規(guī)定以非比例延伸率的0.2%所對應(yīng)的平行線與曲線交截點的強度來代表材料的屈服強度，如Rp_0.2。

規(guī)定總延伸法：E8/E8M標準中稱為“負荷下總伸長法”，與GB/228中規(guī)定總延伸強度（Rt）測定的方法一致。通常規(guī)定以總延伸率的0.5%所對應(yīng)的平行線與曲線交截點的強度：來代表材料的屈服強度，如Rt_0.5。

1.6.1 抗拉強度的測定

抗拉強度指試樣所能承受的大破壞極限負載，中美標準中在抗拉強度的測定規(guī)定*相同。

1.6.2 伸長率的測定

在GB/228標準中規(guī)定了五種類別伸長率的測定：斷后伸長率、斷裂總伸長率、大力總伸長率、大力非比例伸長率及屈服點延伸率。我國金屬制品通常采用斷后伸長率進行產(chǎn)品評價，E8/E8M中僅規(guī)定了斷后伸長率測量方法，與GB/228基本相同，但在斷裂位置的規(guī)定上略有不同。

表6 斷后標距測量精度

GB/228中要求斷裂位置必須在距標距端部大于三分之一時，其結(jié)果才有效；E8/E8M標準中要求為大于四分之一處。當斷裂位置不滿足要求時，仍應(yīng)繼續(xù)測量，如果結(jié)果大于或等于產(chǎn)品技術(shù)要求，結(jié)果有效；如果不能滿足，GB/228標準中還可以采用位移法進行測量，而E8/E8M不能采用位移法測量，需重新取樣試驗。斷后標距的測量精度應(yīng)符合表6的要求。

1.7 試驗結(jié)果修約

拉伸試驗數(shù)據(jù)的修約主要涉及到強度、伸長率和斷后伸長率。中美標準在性能結(jié)果數(shù)值修約間隔規(guī)定中略有差別（見表7），GB/228標準中規(guī)定的修約間隔相對較小。E8/E8M及A370在斷后延伸率的修約間隔上差別較大，按產(chǎn)品標準的試驗標準執(zhí)行。關(guān)于修約規(guī)則，GB/228按GB8170《數(shù)值修約規(guī)則》執(zhí)行：E8/E8M及A370按AETM E29修約規(guī)則來執(zhí)行；二者在方法上一致。

表7 性能結(jié)果數(shù)值修約間隔

1.8 復(fù)檢和判定

拉伸試樣檢測結(jié)果不符合產(chǎn)品技術(shù)要求時，中美產(chǎn)品標準中均允許對產(chǎn)品進行復(fù)檢，但復(fù)檢的條件和要求不盡相同。中美標準中復(fù)檢的條件和要求均由產(chǎn)品標準給出或。我國多數(shù)金屬制品標準按GB/T 17505《鋼及鋼產(chǎn)品交貨一般技術(shù)要求》執(zhí)行，其規(guī)定為：任何檢驗如有某一項試驗結(jié)果不符合標準要求，則從同一批選取雙倍試樣進行該不合格項目的復(fù)檢。復(fù)檢結(jié)果中任何一個試樣仍不合格，則判定整批產(chǎn)品不合格。而美標金屬制品中，如ASTM A615/A615M《Standard Specification for Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement鋼筋混凝土用帶肋和光圓碳素鋼棒標準規(guī)程》規(guī)定：如果抗拉強度低于標準值2000psi（約14MPa）、屈服強度低于標準值1000psi（約7MPa）、伸長率低于標準值296以內(nèi)，允許進行復(fù)檢，從同一批選取雙倍試樣進行該不合格項目的復(fù)檢，復(fù)檢結(jié)果中任何一個試樣仍不合格，則判定整批產(chǎn)品不合格。這個復(fù)檢條件在美標的其他鋼產(chǎn)品中，如碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度鋼制品等都有類似規(guī)定，而我國標準沒有此類規(guī)定。另外在試樣制作和試驗過程正常的情況下，美標允許多進行兩次復(fù)檢，我國只允許進行一次復(fù)檢。

相關(guān)標準確無誤:

GB/T 228 金屬材料拉伸試驗方法

ASTM E8/E8M 金屬材料拉伸試驗方法