金屬材料高溫拉伸試驗標(biāo)準對比研究

陳亞軍，劉　波，王付勝，楊旭東

金屬材料高溫拉伸試驗標(biāo)準對比研究

陳亞軍，劉波，王付勝，楊旭東

（中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津300300）

為制定適合我國民用航空業(yè)的金屬高溫拉伸試驗標(biāo)準，并與國際先進的標(biāo)準體系接軌，全方位對比分析美國宇航材料標(biāo)準（ASTM）和中國國家標(biāo)準（GB）金屬高溫拉伸試驗標(biāo)準的主要的差異。對比分析結(jié)果表明：1）在試驗設(shè)備方面，ASTM較GB引伸計準確度高50%，600℃以上加熱裝置準確度高25%。ASTM增加試驗機軸向性檢測程序和易腐蝕材料的保護裝置，并要求安裝引伸計指示應(yīng)變率裝置，提高試驗的準確性。GB明確測溫設(shè)備的檢測周期，提高檢測可靠性。2）在試樣制備方面，ASTM相較于GB明確規(guī)定試樣的產(chǎn)品批次、最終狀態(tài)和取樣位置。3）在試驗程序方面，ASTM增加試樣清洗環(huán)節(jié)，試樣的最低保溫時間比GB多一倍。GB在測200MPa以下屈服和抗拉強度時修約結(jié)果更準確，ASTM在測200MPa以上屈服和抗拉強度時修約結(jié)果更準確。4）在試驗報告方面，ASTM較GB從試樣、溫度控制、特殊情況、試驗結(jié)果等方面進行全面而詳細的要求，整份報告能夠提供很好的數(shù)據(jù)信息支撐。綜上，金屬高溫拉伸試驗GB標(biāo)準有別于ASTM，提高設(shè)備準確度，加強條件控制準確度，考慮試驗環(huán)境與特殊狀況，才能制定出滿足中國民航業(yè)的高標(biāo)準國際化金屬高溫拉伸試驗標(biāo)準。

高溫拉伸試驗；美國宇航材料標(biāo)準；中國國家標(biāo)準；對比分析

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.001

0　引言

我國現(xiàn)行的金屬材料高溫拉伸試驗標(biāo)準為GB/T 4338——2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》。由于飛機高空作業(yè)，其安全性直接關(guān)系乘客安危，所以飛機制造商對航空材料性能的要求遠遠高于其他行業(yè)，材料的性能測試也更為嚴格。飛機發(fā)動機中的大多數(shù)金屬材料處在高溫工作環(huán)境下，其高溫性能是制約我國飛機發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。我國不僅需要在航空材料研發(fā)領(lǐng)域加強建設(shè)，還需要在與之配套的航空材料測試標(biāo)準體系方面進行完善。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國初步建立了基本滿足金屬材料檢測要求的標(biāo)準體系，但還沒有針對于民航領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準。同時，民航業(yè)又是高度國際化的航空產(chǎn)業(yè)，為實現(xiàn)與國際先進的試驗標(biāo)準體系接軌，服務(wù)于我國民航產(chǎn)業(yè)，建立一套適合我國民航業(yè)發(fā)展的國際化行業(yè)標(biāo)準非常有必要。美國在航空材料檢測標(biāo)準及標(biāo)準體系方面處于世界的領(lǐng)先地位。ASTM標(biāo)準認同度高，不僅得到了波音、空客等大量飛機設(shè)計商和制造商的認可，還得到了航空公司、材料生產(chǎn)商以及質(zhì)量監(jiān)管部門的廣泛采納和運用，是目前國際民航行業(yè)遵循的通用標(biāo)準［1-3］。對比分析ASTM和GB在金屬高溫拉伸試驗標(biāo)準的主要不同點，這對建立適合我國民航業(yè)的金屬材料高溫拉伸試驗標(biāo)準具有很好的參考價值。

高標(biāo)準國際化的金屬材料高溫拉伸試驗標(biāo)準是金屬材料性能測試結(jié)果可靠性的保障，同時能夠提升我國金屬材料產(chǎn)品的國際競爭力和認可度，打破其他國家因我國測試標(biāo)準落后而施加的技術(shù)封鎖。

1　ASTM和GB高溫拉伸試驗標(biāo)準的對比研究

對比美國宇航材料標(biāo)準（ASTM）的ASTM E21——2009［4］與中國國家標(biāo)準（GB）的GB/T 4338——2006［5］的全部內(nèi)容，二者差異主要存在于試驗設(shè)備、試樣、試驗程序和報告4個方面，以下是對比研究的全部內(nèi)容。

1.1試驗設(shè)備

1.1.1試驗機

對于試驗機的準確度，ASTM要求在ASTM E4——2009［6］規(guī)定的允差內(nèi)，GB要求符合GB/T 16825.1——2008《靜力單軸試驗機的檢測》［7］的準確度級別，并應(yīng)為1級或優(yōu)于1級。經(jīng)過對比，GB對于試驗機示值相對誤差和重復(fù)性相對誤差的要求和ASTM一致，都要求不超過1%。ASTM與GB對試驗機要求的不同點如表1所示。

表1　試驗機要求對比

機器和夾頭的裝載準確度直接關(guān)系試樣的彎曲應(yīng)變，若彎曲應(yīng)變過大，會影響試樣的軸向拉伸性能。同理夾頭和拉桿的軸向性檢測也是為了降低彎曲應(yīng)變的產(chǎn)生。易腐蝕材料在高溫環(huán)境下易被氧化，氧化使得材料本身性質(zhì)發(fā)生變化，進而影響到材料的真實性能測定，所以對于易腐蝕材料安裝保護套非常必要。從試驗角度來看，ASTM更加的科學(xué)嚴謹，對加載精度、設(shè)備軸向性和易腐蝕材料保護等多種情況都有充分考慮。

表2　ASTM引伸計的分級1）

1.1.2引伸計

對于引伸計，ASTM參照的是ASTM E83——2010［8］，GB參照的是GB/T 12160——2002《單軸試驗用引伸計的標(biāo)定》［9］。對此兩標(biāo)準中引伸計分級方式和誤差分析的區(qū)別，如表2、表3所示。兩標(biāo)準對引伸計要求的不同點如表4所示。

由表2、表3可知，ASTM中引伸計等級分為6級，GB中分為4級。相比于GB的分級情況，ASTM分級更加精細，整體要求的標(biāo)距相對誤差和應(yīng)變相對誤差都不超過1%，較GB引伸計準確度高50%。ASTM中規(guī)定了應(yīng)變誤差，GB則規(guī)定了由測量長度得到的系統(tǒng)誤差。應(yīng)變從長度變化計算得到，可見二者反應(yīng)的實質(zhì)問題相同，只是表述方式不同。由表4可知，在金屬材料高溫拉伸試驗當(dāng)中，ASTM對引伸計準確度要求高于GB。對于使用環(huán)境的要求，ASTM進行了溫度量化，要求室溫變化范圍不應(yīng)超過6℃。相比之下，GB要求試驗環(huán)境適當(dāng)穩(wěn)定，但實際并不好把控，科學(xué)的量化才是標(biāo)準的意義所在，此方面GB可以借鑒ASTM標(biāo)準。對于引伸計的標(biāo)距，ASTM并沒有硬性要求，GB要求標(biāo)距不小于10mm。標(biāo)距太短不能準確體現(xiàn)材料的整體性能，而且對測量準確度可能會有影響，所以規(guī)定最小標(biāo)距是有必要的。ASTM中要求引伸計系統(tǒng)包括能指示應(yīng)變率的裝置，用于試驗后確定不同時間的應(yīng)變率。從試驗的角度來看，測屈服強度時的應(yīng)變率的變化對試驗控制和材料性能分析都有幫助，GB可以借鑒ASTM此部分內(nèi)容。

好不容易搶救過來看到的卻是父母絕望的臉和周圍人的恥笑，走到哪兒都被人戳著脊梁骨罵，不要臉，小騷蹄子，狐貍精……十八歲的青春哪背負得起這種罵名，自此，青瓷走到哪兒，頭都低得低低的，怯怯的。

表3　GB引伸計的分級

表4　ASTM與GB高溫拉伸試驗對引伸計要求對比

1.1.3加熱與測溫裝置

對比分析ASTM與GB中有關(guān)加熱與測溫設(shè)備的相關(guān)內(nèi)容，如表5所示。

表5　ASTM與GB加熱和測溫設(shè)備要求對比1）

ASTM明確了加熱爐的類型為電阻爐和熱輻射爐。電阻爐容易得到高溫，便于在可控氣氛爐和真空爐中使用，熱效率高且不污染環(huán)境。熱輻射爐多用于真空環(huán)境，不依托介質(zhì)直接加熱，便于控制，環(huán)保高效。兩種爐型能夠穩(wěn)定地滿足高溫拉伸試驗的需求，所以得到廣泛應(yīng)用。GB應(yīng)當(dāng)對加熱爐的類型進行規(guī)定，以免因為選錯熱爐類型對試驗結(jié)果產(chǎn)生不良影響。對于溫度的允許偏差，ASTM更為嚴格，1000℃以下允許偏差為3℃。ASTM 600～1000℃加熱裝置準確度較GB高25%。對于1000℃以上的溫度，ASTM的允許偏差為6℃，GB需要相關(guān)雙方協(xié)商規(guī)定。作為標(biāo)準，準確的量化有利于方案實施與控制；協(xié)商的方式更具靈活性，但是對于1000℃以上同類試驗，由于協(xié)商的允許誤差可能不同，不同操作方式試驗成果的對比研究可能缺乏說服力。

ASTM與GB均采用熱電偶測溫的方式。對于溫度分辨力與誤差，GB給出了明確規(guī)定，相比而言，GB更加科學(xué)嚴謹。同時，GB明確了檢測時間，有利于設(shè)備的維護和保障檢測結(jié)果的準確性。綜上，在溫度測量設(shè)備的規(guī)定上，GB更為準確詳細，考慮也更加周全。

1.1.4尺寸測量裝置

量具的分辨力直接決定了試樣尺寸的測量準確度，對比ASTM與GB不同特征尺寸下量具的分辨力，如表6所示。

表6　ASTM與GB量具分辨力要求對比

ASTM在特征尺寸＞0.5mm時分辨力都低于GB，只有特征尺寸＜0.5mm時GB分辨力小于ASTM分辨力，所以總體上ASTM在測量特征尺寸上的準確度要求高于GB。特征尺寸直接關(guān)系原始橫截面積的準確度，進而影響斷面收縮率的準確性。新技術(shù)的應(yīng)用是提高測量裝置準確度的重要手段，所以提高GB在特征尺寸測量的準確度，新型測量設(shè)備的研發(fā)必不可少［10-11］。

1.2試樣制備

參照ASTM E8——2009［12］與GB/T 2975——1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》［13］，兩標(biāo)準對試樣的要求不同點如表7所示。

表7　ASTM與GB對標(biāo)準試樣要求對比

ASTM對于取樣有明確的規(guī)定，如明確批次、熱處理要達到最終狀態(tài)而且試樣要取自代表性位置。同一材料產(chǎn)品，批次不同或是熱處理工藝的細微差別都能影響到材料的性能；同時，一塊原材料不同部位的性能也會因生產(chǎn)工藝或加工工藝的不同而產(chǎn)生變化。所以，規(guī)定產(chǎn)品的批次和最終狀態(tài)并從代表性位置選取非常必要。ASTM還規(guī)定了試樣軸線位置，保障拉伸應(yīng)力方向與軸線重合，確保試驗的準確性。對標(biāo)準試樣標(biāo)距長度的要求ASTM與GB明顯不同，從目前已有的研究來看，原始標(biāo)距越長斷后伸長率越小，原始標(biāo)距越短斷后伸長率越大。ASTM取4倍的直徑為標(biāo)距長度，計算得到GB標(biāo)距長度為5倍和10倍的直徑。標(biāo)距確定后，過渡段長度和夾持端長度是對試樣總長影響最大的兩個因素，限定總長以保證過渡段和夾持端不能太短。過渡半徑太小可能造成應(yīng)力集中，夾持端太短可能引起試樣拉伸過程中由于摩擦力小造成的試樣滑動，二者關(guān)系到試驗?zāi)芊癯晒徒Y(jié)果的準確性。

1.3試驗程序

對比分析ASTM與GB中試驗程序的不同點，如表8所示。

表8　ASTM與GB試驗程序?qū)Ρ?/p>

ASTM對試樣清洗進行了要求，GB當(dāng)中并沒有類似的描述，從科學(xué)嚴謹?shù)慕嵌?，試樣的清洗是有必要的，因為在高溫條件下，試樣表面的污垢可能會對材料的性能產(chǎn)生影響。清洗降低了試驗數(shù)據(jù)不準確的風(fēng)險性，GB應(yīng)加入此類清洗操作，以完善試驗過程。

ASTM與GB對于熱電偶數(shù)量和安放位置的要求是相同的。但在溫度的保持時間上ASTM要求更長，20min保溫更充分，試樣內(nèi)外溫度基本一致。ASTM同時規(guī)定了最終調(diào)整前的爐內(nèi)溫度，將爐子溫度穩(wěn)定在名義試驗溫度下6~28℃可能更利于后面溫度的調(diào)整，防止溫度過量。ASTM還要求分析加熱特性和溫度控制系統(tǒng)，這樣做的好處是能夠確定必要的輸入功率、溫度設(shè)定點、比例控制調(diào)整以及控制電偶的布局，從而更準確地把握溫度控制過程。對溫度過量大小和持續(xù)時間ASTM也有明確規(guī)定，這樣的記錄為結(jié)果分析提供一定的參考，尤其是溫度過量時間過長可能導(dǎo)致試樣內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，影響到試驗結(jié)果。GB在以上3個方面沒有規(guī)定，可以借鑒ASTM加以完善。

從速率分析可以看出，GB在測屈服強度過程中的速率整體上比ASTM要慢一些。在測抗拉強度過程中，GB給定的速率是一個固定的范圍，速率比測屈服強度時明顯加快。ASTM給定的速率范圍與試樣的尺寸相關(guān)，更有針對性，但兩種規(guī)定對試驗結(jié)果的影響還有待驗證。GB給出了應(yīng)變速率不可控時的補救措施。當(dāng)試驗系統(tǒng)不能控制應(yīng)變速率時，應(yīng)調(diào)節(jié)應(yīng)力速率，使在整個彈性范圍內(nèi)試樣應(yīng)變速率保持0.003/min以內(nèi)。任何情況下，彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力速率不應(yīng)超過300N/mm2/min。ASTM考慮到設(shè)備部件、拉桿和夾具的彈性應(yīng)變，將十字頭在屈服過程中的移動速度設(shè)定在推薦范圍的上限，以平衡設(shè)備彈性應(yīng)變的影響。

在斷后伸長率測量方面，ASTM對測量精度的要求比GB更加嚴格。GB中規(guī)定，可以在一固定標(biāo)距上測定斷后伸長率，然后使用換算公式或換算表將其轉(zhuǎn)換成其他標(biāo)距的斷后伸長率。目前有關(guān)研究表明，斷后伸長率與原始標(biāo)距長度相關(guān)。GB的這一規(guī)定有利于數(shù)據(jù)處理，減少了由于標(biāo)距不同增加的試驗數(shù)量，但由此換算得到的斷后伸長率的準確性需要進一步驗證。

在屈服強度表述上，ASTM殘余應(yīng)力的0.2%是通過0.002倍小截面段的調(diào)整長度來對應(yīng)的，GB通過圖解法或指針法測得，也可直接通過自動記錄設(shè)備得到。相比而言，GB的測量方法更多，選用更加靈活，ASTM的方法比較單一。在抗拉強度和屈服強度較小時，GB的修約間隔為1MPa，小于ASTM的 3.5MPa，結(jié)果會更加準確。但當(dāng)屈服和抗拉強度大于200MPa時，GB的修約間隔會大于ASTM，ASTM更準確些。綜上，GB在測較小屈服和抗拉強度時修約結(jié)果更準確；ASTM在測較大的屈服和抗拉強度時修約結(jié)果更準確。對于延伸率和斷面收縮率的修約間隔，ASTM與GB的要求均為0.5%。

1.4試驗報告

對比ASTM與GB關(guān)于報告內(nèi)容的相關(guān)要求，如表9所示。

表9　ASTM與GB報告內(nèi)容對比

在試驗報告內(nèi)容方面，關(guān)于材料的描述，ASTM要求包括生產(chǎn)方法、產(chǎn)品類型、尺寸和其他相關(guān)的加工資料，還有熱處理、顯微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。GB只要求了材料名稱及牌號。試樣尺寸方面，ASTM要求包括橫截面尺寸、圓角、小截面段的長度、小截面段的調(diào)整長度、端部連接的類型以及是否機加工、局部機加工還是鑄造加工。GB并沒有注重這些細節(jié)，可以參照ASTM加以完善。ASTM還要求報告到達試驗溫度的時間和試驗前的保溫時間、特殊情況、斷裂的部位和描述、所用設(shè)備的標(biāo)志、試驗者的姓名和試驗日期等內(nèi)容。這些內(nèi)容是對一份報告內(nèi)容的充實和完整，對讀者日后的閱讀和分析有很大的幫助，例如熱處理的方式對材料性能影響很大，報告中如有明確說明更利于分析。綜上，GB應(yīng)當(dāng)加強報告內(nèi)容的完善。

2　結(jié)束語

全方位對比分析了ASTM與GB在金屬高溫拉伸試驗當(dāng)中的不同點。得到如下結(jié)論：

1）試驗設(shè)備方面。ASTM對引伸計、加熱裝置和尺寸測量裝置等的精度要求普遍高于GB。ASTM增加了試驗機軸向性檢測和易腐蝕材料的保護裝置，并要求安裝引伸計指示應(yīng)變率裝置。GB增加了對測溫設(shè)備的周期性檢測，保證其可靠性。

2）試樣方面。ASTM從產(chǎn)品批次、最終狀態(tài)和取樣位置都有明確嚴格的要求，GB還需要進一步完善。ASTM標(biāo)準試樣選用4倍直徑為標(biāo)距長度。GB標(biāo)準試樣選用5倍和10倍直徑為標(biāo)距長度。有研究表明，原始標(biāo)距越長斷后伸長率越小，反之越大，可見斷后伸長率的對比需執(zhí)行同一測試標(biāo)準。

3）試驗程序方面。GB缺少試樣清洗環(huán)節(jié)，最低保溫時間較ASTM少50%。ASTM考慮到設(shè)備部件、拉桿和夾具的彈性應(yīng)變，對應(yīng)變速率進行調(diào)整以平衡設(shè)備彈性應(yīng)變的影響。GB在測200MPa以下屈服和抗拉強度時修約結(jié)果更精確，ASTM在測200MPa以上屈服和抗拉強度時修約結(jié)果更精確。

4）試驗報告方面。ASTM的報告內(nèi)容從試樣、溫度控制、特殊情況、試驗結(jié)果等多方面進行了全面而詳細的要求，報告能夠提供很好的數(shù)據(jù)和信息支撐。GB報告內(nèi)容要求方面相對簡單，需進一步完善。

綜上，ASTM E21——2009與GB/T 4338——2006在內(nèi)容上雖各有優(yōu)缺點，但ASTM在設(shè)備準確度、試驗控制準確度、報告內(nèi)容等方面優(yōu)勢明顯。為了制定適合我國民航業(yè)的高溫拉伸試驗標(biāo)準體系，并與國際公認的先進的標(biāo)準體系接軌，GB可借鑒ASTM的優(yōu)秀內(nèi)容，完善不足。

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［4］ASTM E21Standard TestMethods for Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials［S］.2009.

［5］GB/T 4338—2006金屬材料高溫拉伸試驗方法［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，2006.

［6］ASTM E4 Standard Practices for Force Verification of Testing Machines［S］.2009.

［7］GB/T 16825.1—2008靜力單軸試驗機的檢測［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，2008.

［8］ASTM E83 Standard Practices for Verification and Classification of Extensometer Systems［S］.2010.

［9］GB/T 12160—2002單軸試驗用引伸計的標(biāo)定［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，2002.

［10］余學(xué)峰，王亞梅，田建柱.測量設(shè)備校準間隔確定方法工程化應(yīng)用與發(fā)展［J］.中國測試，2009，35（4）：15-18.

［11］葉聲華，秦樹人.現(xiàn)代測試計量技術(shù)及儀器的發(fā)展［J］.中國測試，2009，35（2）：1-6.

［12］ASTM E8 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials［S］.2009.

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Com parative study on high tem perature tensile test standards of metalmaterials

CHEN Yajun，LIU Bo，WANG Fusheng，YANG Xudong
（Sino-European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

ASTM and GB standards were compared and analyzed in this paper in order to provide a basis for the formulation of high temperature tensile test standards for metal materials in accordance with international advanced standard systems.The comparative results are as follows：1）In regard to experimental equipment，the precisions of ASTM extensometers are 50%higher，ASTM heaters above 600℃higher than 25%.In order to increase the accuracy in test，ASTM has incorporated an axial test procedure for tester，protective devices for corrosive materials，and required to install indicators for extensometer strain rate.GB by contrast has determined the periodic detection for temperature measuring equipment and thus enhanced the detection reliability. 2）In regard to the preparation of specimens，ASTM has more strict requirements on product batches，final conditions，and sampling locations.3）In regard to test procedures，GB lacks the requirement on specimen washing and its temperature-holding time is more than one time lower than compared to ASTM.In GB，the rounding results obtained in measuring tensile strengths and yield strengths are more accurate below 200 Mpa，while those in ASTM are more precise above 200 Mpa.4）In regard to experimental reports，ASTM has comprehensive and detailed requirements on specimens，temperature control，special cases，experimental results，and so on.The data and information of each test has been written in the report.In summary，the two standards are different from each other in the above aspects.International test standards that fit China's aviation industry can only be compiled based on the improvement of equipment precision，the enhancement of control accuracy，the consideration of test environment and special circumstances.

high temperature tension test；ASTM；GB；comparative analysis

A

1674-5124（2015）09-0001-05

2015-03-08；

2015-04-07

國家自然科學(xué)基金（51301198）

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費中國民航大學(xué)專項資助（3122015Z002）

陳亞軍（1976-），男，天津市人，副教授，博士，主要從事材料性能檢測及標(biāo)準方面的科研和教學(xué)工作。