中美金属材料拉伸试验方法标准差异分析
时间：2014-03-31 阅读：5287
1.1 拉伸试样的制作
对于拉伸试样的尺寸以及试样的取样位置，国标与ASTM E8/E8M还是存在较多差别的。
GB228金属材料拉伸试验试件制作通常根据产品的特点，将平行长度段试件按截面形状分为矩形、圆形和异形（例如：多边形及管形）三类。
表1 GB228拉伸试样取样标准
规格 | 试样类型 | 宽度/mm | L0 | Lc | 过渡弧半径 |
0.1mm～3 mm薄板和薄带 | 比例试样（长、短） | 10、12.5、15、20 | 5.65/11.3*S0 ≥15 | ≥L0+b/2 = L0+2b | ≥20mm |
非比例试样 | 12.5 | 50 | 75/87.5 | ||
20 | 80 | 120/140 | |||
厚度≥3mm板材 厚度≥4mm棒材 | 比例试样（长、短） | 圆：3、5、6、8、10、15、20、25 矩形：12.5、15、20、25、30 | ≥12mm ≥0.75d | ||
非比例试样 | 矩形：12.5、15、20、25、38、40 | ||||
直径或厚度≤4mm线棒材 | 不经机加工非比例试样 | d或a≤4 | / |
厚度为0.1mm～3 mm的薄板和薄带的拉伸试样采用全截面矩形试样，可采用比例试样和非比例试样，比例试样又可分为短比例试样（k=5.65）和长比例试样（K=11.3），二者都可使用的条件下应优先使用短比例试样。对于宽度等于或小于20mm的金属制品，试样宽度可以相同于产品宽度。对于宽度大于20mm的金属制品，其拉伸试样的宽度应机加工宽度为10mm、12.5mm、15mm、20mm（非比例试样为12.5mm、20mm）等6种不同的尺寸规格。
厚度大于或等于3mm的板材和扁材及直径和厚度大于或等于4mm的线材、棒材和型材的拉伸试样可采用矩形和圆形截面，可采用比例试样和非比例试样，比例试样又可分为短比例试样（k=5.65）和长比例试样（K=11.3），二者都可使用的条件下应，优先使用短比例试样（见GB/T 228附录B）。通常情况下金属材料拉伸试样采用全截面试样，当直径或厚度大于25mm而试验设备能力不足时，可进行机加工减薄成比例试样，矩形截面试样推荐宽厚比不超过8：1；圆形截面试样其平行长度的直径不应小于3 mm。
直径和厚度小于4mm的线材、棒材和型材的拉伸试样采用不经机加工全截面矩形非比例试样。
ASTM E8/E8M和A370标准中均要求尽可能的采用全厚度或全截面试样，规定了3种矩形截面试样和5种圆形截面试样供选择使用。
矩形截面试样均为板材拉伸试样，适用于薄板、带材、扁线材和板材。其与GB/228中的矩形试样相比大的特点是尺寸规格较少，只有3种且是定标距试样，无比例和非比例试样之说。其宽度为40 mm的试样适应于厚度≥5 mm的板材，宽度为12.5 mm的试样适应于厚度≤19 mm的板材，宽带为6 mm的试样适应于厚度≤6 mm的板材。E8和A370中没有规定板材试样适用产品的厚度上限，但标准中矩形试样均为金属制品的全厚度试样，因此如产品无特别指出，可根据试验机的能力来确定板材试样的大厚度。宽度为40 mm和12.5mm的试样为标准矩形试样，只有当金属制品尺寸无法制各标准试样时才能使用宽带为6 mm的小试样。
圆形截面试样。在ASTM E8中，标准提供了英制和公制两种单位试样标准
表2 美国标准拉伸试样取样标准
矩形拉伸试样/mm | ||||||||||||
试样 | 宽度 | 标距 | 厚度 | 导角半径 | 试件全长 | 平行长度 | 夹持长度 | 夹持宽度 | ||||
标准型 | 板状 | 40±2.0 | 200±0.2 | ≥5 | ≥25 | ≥450 | ≥225 | ≥75 | 50 | |||
薄板 | 12.5±0.25 | 50±0.1 | 0.13-19 | ≥12.5 | ≥200 | ≥60 | ≥50 | 20 | ||||
小试样 | 6±0.1 | 25±0.1 | 0.13-6 | ≥6 | ≥100 | ≥32 | ≧50 | 10 | ||||
圆形拉伸试样/mm | ||||||||||||
标准 | 尺寸 | 标准试样 | 与标准试样成比例的小试样 | |||||||||
12.5 | 9 | 6 | 5 | 2.5 | ||||||||
ASTM E8M | 直径 | 12.5±0.2 | 9±0.1 | 6±0.1 | 4±0.1 | 2.5±0.1 | ||||||
标距 | 62.5±0.1 | 45±0.1 | 30±0.1 | 20±0.1 | 12.5±0.1 | |||||||
导角半径 | ≥10 | ≥8 | ≥6 | ≥4 | ≥2 | |||||||
平行长度 | ≥75 | ≥54 | ≥36 | ≥24 | ≥20 | |||||||
ASTM E8 | 直径 | 12.5±0.2 | 9±0.1 | 6±0.1 | 4±0.1 | 2.5±0.1 | ||||||
标距 | 50±0.1 | 36±0.1 | 25±0.1 | 16±0.1 | 11±0.1 | |||||||
导角半径 | ≥10 | ≥8 | ≥6 | ≥4 | ≥2 | |||||||
平行长度 | ≥56 | ≥45 | ≥30 | ≥20 | ≥16 | |||||||
1.2 试样标距
试样在拉伸前刻画标距是用来测定金属材料延伸率，以表征金属材料制品弹塑性变形能力。
GB/228标准附录A～C中厚度不小于3mm的板材和扁材、直径和厚度大于4 mm的线材、棒材和型材、厚度为0.1mm～0.3mm的薄板和薄带的拉伸试样标距可选比例标距或非比例标距，比例标距L0=KS0' type="#_x0000_t75"> ，k为比例系数，其中短比例k=5.65、长比例k=11.3，计算值修约至5mm的整数倍。试样应优先使用短比例标距，如标距≤15 mm，应使用长比例标距，如依然不能满足，应选用非比例标距。直径和厚度小于4 mm的线材、棒材和型材的拉伸试样只采用非比例标距。
ASTM E8/E8M标准中，矩形截面试件无论是公制单位还是英制单位均采用非比例固定标距；圆形截面试件及不需机加工的圆形全截面试件则采用比例标距，且在使用公制单位和英制单位时，标距的大小是不一致的，公制单位标准中试样标距G=5D，英制单位标准中试样标距G=4D。对于ASTM标准评价的产品（除非有特别说明的），其圆形试样延伸率都是针对G= 4D试样，因此它与中国GB/228标准中延伸率的测定是有很大的不同的。A370与E8/E8M在机加工试件标距规定上基本是相同的，但在其标准的第8.2条款中规定：当采用全截面试件时，如产品标准没有另行规定，标距应按8英寸（200mm）进行测量。因此在产品测试时应关注产品标准在试验方法使用上的具体规定，如未加规定应按E8/E8M这个通用标准来执行较为合适。
1.3 试样原始横截面的测定
GB/228标准中试样原始横截面的测定按表3来计算，并至少保留4位有效数字。
表3 标准中试样原始横截面积测定
试样类别 | 截面类型 | 截面面积的确定 | 计算公式 | 说明 |
机加工 | 矩形截面 | 在标距的两端及中间三处测量宽度和厚度或直径，取三处小横截面积 | S0=ab | a:试样厚度 b:试样宽度 d:试样直径 |
圆形截面 | S0=πd2 | |||
非机加工 | 全截面 | 除产品有特别规定外，全截面试件截面面积应根据试样长度、试样质量和材料密度来确定。 | S0=m蟻L脳1000' type="#_x0000_t75"> | m:试样质量 L:试样长度 ρ:材料密度 |
在ASTM E8/E8M和A370标准中，为了保证试样断裂位置在标距内，允许试样平行段从两端到中间逐渐减少，形成一个锥度，但这个锥度应不大于1％。因此试样原始横截面测量只需在试样标距中心测量，按S0 =πd2或S0=ab计算即可。
1.4 试验机设备和测量设备
1.4.1 试验机
中美标准中试验机测试准确度均要求为1级或优于1级准确度。试验开始前必须按GB/T16825进行检验；美标按ASTM E4进行检验，要求示值误差不大于±1％。
1.4.2 引伸计
国标规定引伸计应符合GB/T 12160标准要求，美标应符合ASTM E83。在测定金属材料的性能时，选用引伸计精度的等级见表4。从表中可以看出美标在测定同一性能指标时，引伸计级别要求高于国标要求。
表4 引伸计精度的等级
标准 | 性能 | 等级 | 精度 |
GB/228 | ReH、ReL、Rp、Rt、Rf、Ae | 高于1级 | ±1% |
Rm、A、At、Ag、Agt | 高于2级 | ±2% | |
E8/E8M和A370 | Rp、Rt、A、At、Ag | 高于B2级 | ±0.5% |
A（5~50%） | 高于C级 | ±1% | |
A（≥50%） | 高于D级 | ±2% |
1.5 试验控制过程
1.5.1 室温拉伸试验的温度控制
在GB/228标准中规定室温范围10～35℃；E 8/E8M标准中室温范围为10～38℃；A370中虽未规定室温范围，但大多金属制品标准及焊接规程在引用 370时，通常要求拉伸试验温度不低于10℃，因此在实践过程中，可依据E8/E8M来控制。
1.5.2 试验速率控制
GB/228标准中试验速率有应力速率（N/mm2·S-1）、应变速率（m/m·S-1）、试验机夹头分离速率三种控制方法。拉伸试验过程中，在弹性阶段采用应力速率控制方法，接近屈服时应过渡到应变控制，平行长度内的应变应尽可能的保持恒定，屈服结束后可调整应变速率至试样断裂。如试验机无应变控制系统，则从屈服即将开始前到屈服完成不再对试样机油门进行调节，屈服结束后按应力速率至试样断裂。除非产品标准另有规定，试验速率应符合表5要求。
表5 试验速率
标准 | 变形特性 | 应变速率（m/m·s-1） | 试验机夹头分离速率（m/m·s-1） | 应力速率 N/mm2·s-1 | |
GB/228 | 弹性变形 | 弹性阶段 | / | / | 2～20（E＜150GMPa） 6～60（E≥150GMPa） |
塑性变形 | 屈服阶段 | 0.00025～0.0025 | 0.00025～0.0025 | ||
屈服后阶段 | ≤0.008 | ≤0.008 | |||
ASTM E8/E8M | 弹性变形阶段 | 任意常规速度 | 任意常规速度 | 任意常规速度 | |
屈服变形阶段 | / | / | 1.15～11.5 | ||
测定抗拉强度 （延伸率≤5%） | 0.0008～0.008 | 0.0008～0.008 | / | ||
测定抗拉强度 （延伸率≤5%） | / | / | 1.15～11.5 | ||
A370 | 弹性变形阶段 | 任意常规速度 | 任意常规速度 | 任意常规速度 | |
屈服变形阶段 | 0.0001～0.001 | 0.0001～0.001 | 1.15～11.5 | ||
测定抗拉强度 | 0.0008～0.008 | 0.0008～0.008 | 1.15～11.5 | ||
在E8/E8M和A370标准中试验速率除与GB/228相同的应力速率、应变速率、试验机夹头分离速率三种方法外，还有试验时间和空载十字速率。在ASTM标准体系里，试样速度控制方式以及试样速率范围的选择是产品标准的责任，当产品标准或规范中没有规定时，可按E8/E8M和A370标准中试验速率来执行。除非产品标准另有规定，试验速率应符合表5要求。
测定屈服性能时，在达到规定屈服强度的一半或抗拉强度的四分之一前至屈服结束这个阶段，E8/E8M要求按应力速率（1.15～11.5N/mm2·S-1）控制，在实际操作中，试样开始屈服时，应力速度持续下降，甚至出现负值，要保持这个应力速率，就要求试验机油门开的很大，这样就会造成屈服强度偏高，显然不切合实际。不过在A370标准中则规定按应变速率（0.0001～0001/S ）控制，因此实验过程中可参考A370来执行。同GB/228标准中相比，E8/E8M和A370测定屈服性能的试验速率略低；抗拉强度测定的应变速率为0.0008～0.008/s，而GB/228标准中无下限要求。
1.6 屈服性能的测定
GB/228与E8/E8M测定屈服性能的方法基本相同，主要采用下列4种方法。
图解法：主要用于测定上、下屈服强度。试验时记录力-延伸或力-位移曲线，从图中读取力下降前的大力（上屈服强度）和不计初始瞬时效应时屈服阶段的小力（下屈服强度）。如可以使用计算机自动记录，可不用绘制曲线。
指针方法：试验从测力度盘上读取力下降前的大力（上屈服强度）和不计初始瞬时效应时屈服阶段的小力（下屈服强度）。如可以使用计算机自动记录，该方法实际上记录的是力-时间的曲线。E8/E8M标准中称为“力停止法”，规定只能测定上屈服强度。
规定非比例延伸法：E8/E8M标准中称为“偏移法”，与GB/228中规定非比例延伸强度测定的方法一致。该方法主要用于测定屈服强度不明显的材料，通常规定以非比例延伸率的0.2%所对应的平行线与曲线交截点的强度来代表材料的屈服强度，如Rp0.2。
规定总延伸法：E8/E8M标准中称为“负荷下总伸长法”，与GB/228中规定总延伸强度（Rt）测定的方法一致。通常规定以总延伸率的0.5%所对应的平行线与曲线交截点的强度：来代表材料的屈服强度，如Rt0.5。
1.6.1 抗拉强度的测定
抗拉强度指试样所能承受的大破坏极限负载，中美标准中在抗拉强度的测定规定*相同。
1.6.2 伸长率的测定
在GB/228标准中规定了五种类别伸长率的测定：断后伸长率、断裂总伸长率、大力总伸长率、大力非比例伸长率及屈服点延伸率。我国金属制品通常采用断后伸长率进行产品评价，E8/E8M中仅规定了断后伸长率测量方法，与GB/228基本相同，但在断裂位置的规定上略有不同。
表6 断后标距测量精度
| 标准 | 伸长率 | 测量精度 |
| GB/228 | ＞5% | 0.25mm |
| ≤5% | 0.02mm | |
| ASTM E8/E8M | ＞3% | 0.25mm（标距≤50mm） |
| 标距的1%（标距＞50mm） | ||
| ≤3% | 0.05mm |
GB/228中要求断裂位置必须在距标距端部大于三分之一时，其结果才有效；E8/E8M标准中要求为大于四分之一处。当断裂位置不满足要求时，仍应继续测量，如果结果大于或等于产品技术要求，结果有效；如果不能满足，GB/228标准中还可以采用位移法进行测量，而E8/E8M不能采用位移法测量，需重新取样试验。断后标距的测量精度应符合表6的要求。
1.7 试验结果修约
拉伸试验数据的修约主要涉及到强度、伸长率和断后伸长率。中美标准在性能结果数值修约间隔规定中略有差别（见表7），GB/228标准中规定的修约间隔相对较小。E8/E8M及A370在断后延伸率的修约间隔上差别较大，按产品标准的试验标准执行。关于修约规则，GB/228按GB8170《数值修约规则》执行：E8/E8M及A370按AETM E29修约规则来执行；二者在方法上一致。
表7 性能结果数值修约间隔
| 标准 | 性能 | 适用范围 | 修约间隔 | 说明 |
| GB/228 | 屈服及抗拉强度 | ≤200MPa | 1MPa | / |
| ＞200～1000MPa | 5MPa | / | ||
| ＞1000MPa | 10MPa | / | ||
| 屈服点延伸率 | / | 0.05% | / | |
| 伸长率 | / | 0.5% | / | |
| 断面收缩率 | / | 0.5% | / | |
| E8/E8M及A370 | 屈服及抗拉强度 | ≤500MPa | 1MPa | / |
| ＞500～1000MPa | 5MPa | / | ||
| ＞1000MPa | 10MPa | / | ||
| / | 1MPa | 适用于铝和镁合金制品 | ||
| 断后伸长率 | ≤3% | 0.2% | 仅在E8/E8M规定，当伸长率＞3%时，未做具体规定 | |
| ＜10% | 0.5% | 仅在A370规定 | ||
| ≥10% | 1.0% | |||
| 断面收缩率 | ＜10% | 0.5% | / | |
| ≥10% | 1.0% | / |
1.8 复检和判定
拉伸试样检测结果不符合产品技术要求时，中美产品标准中均允许对产品进行复检，但复检的条件和要求不尽相同。中美标准中复检的条件和要求均由产品标准给出或。我国多数金属制品标准按GB/T 17505《钢及钢产品交货一般技术要求》执行，其规定为：任何检验如有某一项试验结果不符合标准要求，则从同一批选取双倍试样进行该不合格项目的复检。复检结果中任何一个试样仍不合格，则判定整批产品不合格。而美标金属制品中，如ASTM A615/A615M《Standard Specification for Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement钢筋混凝土用带肋和光圆碳素钢棒标准规程》规定：如果抗拉强度低于标准值2000psi（约14MPa）、屈服强度低于标准值1000psi（约7MPa）、伸长率低于标准值296以内，允许进行复检，从同一批选取双倍试样进行该不合格项目的复检，复检结果中任何一个试样仍不合格，则判定整批产品不合格。这个复检条件在美标的其他钢产品中，如碳素结构钢、低合金高强度钢制品等都有类似规定，而我国标准没有此类规定。另外在试样制作和试验过程正常的情况下，美标允许多进行两次复检，我国只允许进行一次复检。
相关标准确无误:
GB/T 228 金属材料拉伸试验方法
ASTM E8/E8M 金属材料拉伸试验方法