銅及銅合金拉伸試驗標準對比及探討

劉志英, 王 磊, 章新亮, 李明茂

(1.江西省銅及銅產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 鷹潭 335000;2.江西理工大學(xué) 江西先進銅產(chǎn)業(yè)研究院, 鷹潭 335000)

金屬材料室溫拉伸試驗是金屬材料力學(xué)性能試驗中最基本、最重要的試驗方法,其試驗結(jié)果是設(shè)計零件、判斷材料是否合格的重要依據(jù)[1]。幾乎所有銅加工產(chǎn)品都涉及室溫拉伸試驗，國內(nèi)現(xiàn)行有效的銅及銅產(chǎn)品室溫拉伸試驗標準有GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》、GB/T 34505-2017《銅及銅合金材料 室溫拉伸試驗方法》、GB/T 4909.3-2009《裸電線試驗方法 第3部分：拉力試驗》、GB 10573-1989《有色金屬細絲拉伸試驗方法》、GB/T 5230-1995《電解銅箔》附錄D力學(xué)性能檢測方法、GB/T 29847-2013《印制板用銅箔試驗方法》第7.1款抗拉強度和延伸率、GB/T 4074.3-2008《繞組線試驗方法 第3部分：機械性能》試驗方法6等。不同拉伸試驗標準之間總體一致，但細節(jié)上存在差異，如試驗次數(shù)、試驗速率、樣品制備要求等，給實際應(yīng)用帶來了不少的問題。

GB/T 34505-2017于2017年10月14日由中國家市場監(jiān)督管理總局和國家標準化管理委員會發(fā)布，2018年5月1日開始實施，該標準結(jié)合我國銅產(chǎn)品實際情況，對銅及銅合金產(chǎn)品的拉伸試驗作了一系列針對性的規(guī)定。因產(chǎn)品標準制定與方法標準制定存在時間差，銅及銅產(chǎn)品標準，如GB/T 2040-2017《銅及銅合金板材》、GB/T 2059-2017《銅及銅合金帶材》、GB/T 17791-2017《空調(diào)與制冷設(shè)備用銅及銅合金無縫管》等，其采用的拉伸試驗方法依舊是GB/T 228.1-2010，但新修訂的產(chǎn)品標準YS/T 648-2019《銅碲合金棒》已用GB/T 34505-2017替換了舊版YS/T 648-2007《銅碲合金棒》引用的GB/T 228.1-2010。

為方便使用者理解和應(yīng)用GB/T 34505-2017及相關(guān)拉伸標準，筆者結(jié)合實踐對GB/T 34505-2017及其他室溫拉伸標準的適用范圍、試樣選取、試樣制備、試樣測試、結(jié)果報告等方面進行對比探討。

1 適用范圍

通過對銅及銅合金產(chǎn)品拉伸試驗方法的對比，不難發(fā)現(xiàn)各自的適用范圍：GB/T 34505-2017適用于銅及銅合金材料室溫拉伸，不適用于復(fù)合、超細等銅及銅合金材料；GB/T 228.1-2010適用于金屬材料；GB/T 4909.3-2009適用在各種圓形、矩形、異形導(dǎo)體及絞合導(dǎo)體；GB/T 10573-1989用于標稱直徑不大于0.25 mm的有色金屬絲材；GB/T 5230-1995適用于印制電路用電解銅箔；GB/T 29847-2013適用于剛性及撓性印制板用銅箔；GB/T 4074.3-2008適用于繞組線產(chǎn)品。不同拉伸標準之間適用范圍部分重疊，但各有側(cè)重，GB/T 34505-2017及GB/T 228.1-2010都覆蓋板、帶、箔、線、棒、管、型材,其他標準主要適用某特定類型產(chǎn)品。

2 試樣

2.1 試樣分類對比

2.2 機加工矩形試樣

GB/T 34505-2017和GB/T 228.1-2010針對厚度為0.1～3 mm的機加工矩形試樣，對試樣頭部寬度和過渡弧半徑要求一致，對厚度不小于3 mm時過渡弧半徑要求不同，試樣平行寬度b0、原始標距L0、平行長度Lc、試樣類型編號規(guī)定均不同,詳見表1和表2。過渡弧與測試結(jié)果有相關(guān)性，過渡弧半徑對試樣的伸長率和斷裂位置影響顯著[2-3]。在條件允許時建議過渡弧半徑取較大的值，使過渡弧與平行部分的過渡足夠平緩，減少打磨后平行部分呈兩端窄中間寬的情況。GB/T 34505-2017增加了厚度a0與平行寬度b0一一對應(yīng)的要求，解決了產(chǎn)品標準未規(guī)定試樣號的問題，避免了不同厚度的同類產(chǎn)品，因?qū)捄癖炔煌瑢?dǎo)致的結(jié)果差異。

2.3 比例試樣原始標距規(guī)定最小值存在的問題

GB/T 228.1-2010中關(guān)于原始標距長度最小值的要求值得關(guān)注,GB/T 228.1-2010規(guī)定原始標距應(yīng)不小于15 mm；當試樣橫截面積太小，以致采用比例系數(shù)k=5.65的值不能符合這一最小標距要求時，可以采用較高的值(優(yōu)先采用11.3的值)或采用非比例試樣。這一規(guī)定導(dǎo)致了以下兩個問題。

問題一是原始標距最小值和標準適用最小厚度不匹配。GB/T 228.1-2010沒有明確不同試樣類型對應(yīng)的試樣厚度范圍，即可認為每種試樣類型都對應(yīng)滿足標準適用范圍內(nèi)的任意厚度。以矩形試樣為例，GB/T 228.1-2010在第6.2款試樣類型中規(guī)定“薄板-板材-扁材厚度a為:0.1≤a<3”。在第8款原始標距的標記中規(guī)定對于比例試樣，如果原始標距的計算值與其標記值之差小于10%L0，可將原始標距的計算值按GB/T 8170-2008《數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定》修約至最接近5 mm的倍數(shù)；按以上條件反推得出不同類型試樣滿足原始標距不小于15 mm時，矩形比例試樣的最小厚度，詳見表3。由表3可知，8種試樣類型，僅有P03和P04試樣在厚度最小值a0=0.1 mm時滿足原始標距不小于15 mm的要求，其余皆不滿足，因此存在原始標距最小值和標準適用最小厚度不匹配的問題。

表1 GB/T 34505-2017中機加工矩形試樣的參數(shù)Tab.1 Machined rectangular specimen parameters in GB/T 34505-2017

表2 GB/T 228.1-2010中機加工矩形試樣的參數(shù)Tab.2 Machined rectangular specimen parameters in GB/T 228.1-2010

表3 GB/T 228.1-2010中矩形試樣的最小厚度Tab.3 Minimum thickness of rectangular specimens in GB/T 228.1-2010

當試樣厚度為0.1 mm≤a0<0.117 mm時，若遵守產(chǎn)品標準要求，選擇P02試樣進行測試，則無法滿足原始標距不小于15 mm的要求；若按GB/T 228.1-2010表B.1中注1的建議“如比例標距小于15 mm，建議采用B.2的非比例試樣”選擇試樣P5或P6或P7，則又將不符合產(chǎn)品標準A11.3的要求。

當試樣厚度a0<0.1 mm時，就會出現(xiàn)產(chǎn)品標準引用了GB/T 228.1-2010，但試樣厚度不在GB/T 228.1-2010范圍內(nèi)的情況。GB/T 34505-2017沒有硬性規(guī)定原始標距的最小值，而是采用采購雙方協(xié)商或推薦采用定標距試樣的方式，避免了標準前后矛盾的問題。因此，建議GB/T 228.1-2010進行修訂，刪除原始標距不小于15 mm的要求,并擴大厚度范圍。

2.4 矩形試樣寬度公差

由表4矩形試樣寬度公差的對比情況可知，GB/T 34505-2017相比GB/T 228.1-2010對尺寸公差的要求放寬了4～5倍。矩形試樣以線切割、沖壓取樣居多，試樣需進一步打磨，去除端面鋸齒、毛刺等，使加工面粗糙度達到標準要求。銅及銅合金質(zhì)地較軟，試樣首次制備能滿足0.05 mm尺寸公差要求的概率較小，通常需要多次試制才能滿足要求，在樣品量緊缺時，會出現(xiàn)檢驗困難的情況，不利于檢驗效率的提高。GB/T 34505-2017降低了尺寸公差要求，能有效提高首次制樣成功率，減少重復(fù)加工次數(shù)，增強了針對性和適用性。GB/T 34505-2017形狀公差要求與GB/T 228.1-2010一致，使試樣在軸線方向的變形要求非常細微；規(guī)定了試樣原始橫截面積采用3處測量得到的最小橫截面積，不用名義值，明示了加工面的粗糙度要求，確保了試驗的準確性。

2.5 全截面圓形非比例試樣

不同拉伸標準對全截面圓形非比例試樣原始標距、平行長度的規(guī)定詳見表5。對比章節(jié)1可知，多個拉伸標準都適用全截面圓形非比例試樣。由表5可知，不同標準對同類型試樣原始標距長度、平行長度的要求差異明顯。對非比例試樣，標距長度不同抗拉強度值接近，斷后伸長率相差較大[4]。平行長度越長，材料變形越均勻，應(yīng)力也越均勻，在試樣均勻時，頸縮較大概率產(chǎn)生于原始橫截面積最小處[5-6]。這說明試樣原始標距長度、平行長度對試驗結(jié)果有影響。因此，建議對牌號及線徑范圍相同的線材、生產(chǎn)工藝及厚度范圍相同箔材，不同拉伸試驗方法應(yīng)采用相同的原始標距、平行長度和拉伸速率。

表4 矩形試樣寬度公差對比Tab.4 Comparison of width tolerance of rectangular specimen mm

GB/T 34505-2017在5.58款規(guī)定未經(jīng)機加工試樣原始標距的標記與夾頭應(yīng)有合理的距離；兩夾頭間的距離即試樣的平行長度。GB/T 34505-2017在5.3.5款規(guī)定線材原始標距采用100 mm或200 mm；5.5.8款規(guī)定線材、棒材等應(yīng)滿足L0+3d≤Lc(d為未經(jīng)機加工的線材、棒材試樣直徑)，Lc≤200 mm，當線材L0=200 mm時，顯然與要求矛盾。建議刪除平行長度最大值，改為適當長度。

GB/T 228.1-2010附錄C適用于圓形橫截面試樣平行部分的原始直徑d0≤4 mm的線材、棒材；在附錄C的C.2款規(guī)定試驗機兩夾頭間長度應(yīng)不小于L0+3d0，最小值為不小于(L0+20) mm，與GB/T 228.1-2010表C.1的表意重復(fù)；且即使d0取最大值4 mm，依舊存在L0+12

表5 全截面圓形非比例試樣長度要求Tab.5 Length requirements for full-section roundnon-proportional specimens

2.6 樣坯的截取方向

GB/T 34505-2017規(guī)定帶材、箔材沿平行于軋制方向取樣，板材沿垂直軋制方向取樣；棒材、線材、管材都是沿拉制、擠制或軋制方向取樣。銅箔取樣在GB/T 29847-2013，GB/T 5230-1995，GB/T 4074.3-2008的規(guī)定為樣本的縱向和橫向至少各取2片試樣。GB/T 34505-2017還根據(jù)厚度、直徑、壁厚等規(guī)定了板、帶、箔、線、棒、管、型材的取樣部位。現(xiàn)行部分銅產(chǎn)品標準如YS/T 812-2012《電真空器件用無氧銅棒線材》，其棒材直徑為5～120 mm，力學(xué)性能檢驗取樣只在 5.4款取樣規(guī)定“任取2根(盤)/批，1個試樣/根(盤)”，沒有規(guī)定取樣的方向和部位；YS/T 812-2012拉伸試驗方法引用GB/T 228.1-2010，GB/T 228.1-2010中關(guān)于取樣位置和試樣制備只引用了GB/T 2975-2018《鋼及鋼產(chǎn)品 力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備》，但GB/T 2975-2018不適用于銅及銅產(chǎn)品力學(xué)性能試驗的取樣；致使檢驗員在銅產(chǎn)品標準和檢驗方法標準中都找不到取樣方向和部位的依據(jù)，此時需要檢驗員憑借經(jīng)驗來取樣，不利于規(guī)范操作。建議 GB/T 228.1-2010修訂時增加有色金屬取樣及制樣的相關(guān)規(guī)定。

2.7 試樣的制備

GB/T 34505-2017中5.5.2款的注2規(guī)定邊部先用150粒度砂紙打磨后，再用280粒度砂紙打磨，去除銑制或磨削帶來的缺口；表面用600粒度砂紙打磨去除毛邊毛刺。沒有細化不同厚度試樣，應(yīng)采用的砂紙粒度。厚度在0.5 mm以上的矩形試樣因拉斷力較大，砂紙打磨留下的劃痕，對斷裂影響較小，用5.5.2款規(guī)定粒度的砂紙打磨是可行的；厚度0.2 mm以下的箔材只用5.5.2款規(guī)定粒度的砂紙打磨則很難做到箔材加工面放大20倍時，光滑連續(xù)且沒有刮傷、擦痕等缺陷。粗砂紙留下的劃痕會影響測試，因此，建議根據(jù)試樣厚度選用如1 200粒度、1 500粒度、2 500粒度的砂紙對邊部和表面打磨，直至符合標準要求、拉伸數(shù)據(jù)穩(wěn)定。打磨時可采用將砂紙剪成小三角形，左手朝上捏住試片，右手手指夾住砂紙一角，輕緩打磨，盡可能避免出現(xiàn)折痕。

GB/T 34505-2017中5.5.6款規(guī)定“為了盡可能保證斷裂發(fā)生在標距內(nèi)，試樣工作部分的寬度(或直徑)可以從縮減部分端部(兩平行端)至中心逐漸減小，但每個端部的寬度(或直徑)不應(yīng)大于中心寬度(或直徑)的1%”。按縮減量為1%計算可知，此時試樣形狀公差遠大于GB/T 34505-2017在5.2.1.1款、5.2.2.6款、5.2.3.1款對機加工(矩形、圓、弧形)試樣的形狀公差要求，詳見表4，所以GB/T 34505-2017的5.5.6款與其對試樣形狀公差的要求矛盾。建議該條款修改為經(jīng)供需雙方協(xié)商一致，試樣過渡弧與平行長度部分連接處至中心可逐漸減小，但縮減量應(yīng)小于等于中心寬度(或直徑)的1%。

3 試驗方法

3.1 試樣原始標距的標記

GB/T 228.1-2010和GB/T 34505-2017都規(guī)定應(yīng)用小標記、細劃線或細墨線標記原始標距，且不得用引起過早斷裂的缺口作標記；標記應(yīng)準確到±1%。不建議采用打點機對銅材進行原始標距標記，原因是銅材一般較軟，打點機易造成試樣損傷，易在標記點處斷裂，使抗拉強度和斷后伸長率均偏低。建議圓形試樣、薄帶材和箔材用細墨線標記，較厚的矩形試樣用細劃線標記，不易引入導(dǎo)致過早斷裂的缺陷，且標記準確度高。

3.2 試樣夾持

試樣制備時尺寸主要關(guān)注的是原始標距、平行長度、過渡弧半徑及頭部寬度等，夾持長度很少有標準進行了確切規(guī)定。硬態(tài)棒、管材、中高強度薄帶材等進行拉伸試驗時，若試樣夾持長度過短，打滑現(xiàn)象十分普遍，測試結(jié)果離散度高，甚至試驗無效。GB/T 34505-2017對夾持長度進行了量化，規(guī)定試樣的夾持部分長度須大于等于夾具長度的3/4，矩形試樣帶銷孔時，銷孔連線與平行部分軸線偏差應(yīng)小于等于0.1 mm。

3.3 測試次數(shù)

試驗測試次數(shù)有無規(guī)定，將影響試驗效率和邊緣結(jié)果符合性評價。產(chǎn)品標準中規(guī)定“每張(卷)取一試樣”，在測試時不一定只需測試一次；在方法標準中規(guī)定測試次數(shù)，有利于檢驗員檢驗。GB/T 3952-2016《電工用銅線坯》在5.4.1款規(guī)定力學(xué)性能“逐卷檢查”，其拉伸標準引用GB/T 4909.3-2009；GB/T 4909.3-2009在5.1.1規(guī)定“從外觀檢查合格的樣品一端截取試件3根”，在7.3款要求“試驗結(jié)果取3個試件計算數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值”；此時檢驗員依據(jù)產(chǎn)品標準和檢驗方法標準可確定，銅線坯每卷都需取1個樣，且該樣需測試3次，結(jié)果取均值。GB/T 36146-2018《鋰離子電池用壓延銅箔》5.4款規(guī)定力學(xué)性能“每批任取3卷，每卷沿軋制方向取1試樣”，在4.3款規(guī)定“銅箔的抗拉強度及斷后伸長率的測定按GB/T 29847-2013中7.1的規(guī)定進行”；GB/T 29847-2013在7.1.1款要求“在樣本的縱向和橫向各切取至少2塊試樣”，7.1.5款要求“以4個試樣試驗結(jié)果的算術(shù)平均值為該項試驗的結(jié)果”，此時試驗人員可依有關(guān)標準確定，鋰離子電池用壓延銅箔每批取3卷，每卷取1片試樣，每個試樣需測試4次，結(jié)果為均值。

GB/T 228.1-2010沒有對首次測試次數(shù)和復(fù)驗次數(shù)進行規(guī)定；產(chǎn)品標準GB/T 36161-2018 《耐磨黃銅棒》，GB/T 2040-2017，GB/T 2059-2017，GB/T 8890-2015《熱交換器用銅合金無縫管》等拉伸試驗方法都引用于GB/T 228.1-2010，并在5.4款一般規(guī)定為 “每批取每張(卷)，每張(卷)任取1個試樣”或“每批任取2根或盤，每根或盤任取1個試樣”；此時檢驗員不能依據(jù)產(chǎn)品標準和檢驗方法標準明確每個試樣需要測試的次數(shù)。

GB/T 4909.3-2009,GB/T 10573-1989,GB/T 4074.3-2008測試次數(shù)均為3次，GB/T 5230-1995,GB/T 29847-2013均為測試4次(縱向、橫向各2次)都未規(guī)定復(fù)驗次數(shù)；唯有GB/T 34505-2017規(guī)定首次測試為2次和復(fù)驗為4次。規(guī)定首次測試次數(shù)和復(fù)驗次數(shù)，讓檢驗員測試時有了明確依據(jù)，而不僅靠“口口相傳”和“行業(yè)共識”，有利于使因試驗次數(shù)不同導(dǎo)致的結(jié)果分歧降到最低，且有利于檢驗標準化推廣。

3.4 試驗控制速率

根據(jù)金屬塑性力學(xué)原理，拉伸速率是影響拉伸試驗結(jié)果的一個重要試驗參數(shù)[6]。GB/T 228.1-2010沒有針對有色金屬因具有特殊的性質(zhì)而規(guī)定拉伸速率，拉伸過程中第一速率到第二速率的切換拉伸曲線易出現(xiàn)跳躍，對有色金屬抗拉強度的測定影響明顯[7]。銅材拉伸一般表現(xiàn)為連續(xù)屈服，采用平行長度估計的應(yīng)變速率或平行長度恒定、橫梁位移速率恒定測試時等效設(shè)定的應(yīng)變速率與實際應(yīng)變速率大小相差較大[8]。說明拉伸速率控制方法對測試結(jié)果有影響。

GB/T 228.1-2010規(guī)定了兩種試驗速率控制方法，一種是應(yīng)變速率控制的試驗速率(方法A)包含基于引伸計反饋的應(yīng)變速率和根據(jù)平行長度估計的應(yīng)變速率；一種是應(yīng)力速率控制的試驗速率(方法B)。

GB/T 34505-2017未采用GB/T 228.1-2010的應(yīng)力速率控制方法，保留并簡化了應(yīng)變速率控制方法；為提高測試效率和考慮國內(nèi)試驗機實際情況加入了日常生產(chǎn)檢測可用橫梁位移速率控制的規(guī)定。大部分銅材拉伸標準采用全程單一橫梁位移速率，不同的是，GB/T 34505-2017在測規(guī)定強度時采用了分段的速率控制方式。不同銅材拉伸標準對橫梁位移速率的要求詳見表6。

表6 不同標準對橫梁位移速率的規(guī)定Tab.6 Regulations on beam displacement rates ofdifferent standards

4 結(jié)束語

仍在實施的部分拉伸試驗標準多年未改版，其物理量符號、測試手段及試驗參數(shù)要求等已不適用。GB/T 34505-2017的編制體現(xiàn)了創(chuàng)新與傳承的精神，兼具先進性與可操作性，符合當今銅產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。建議有關(guān)銅及銅合金產(chǎn)品標準，積極引用GB/T 34505-2017作為拉伸試驗方法標準，及時完成修訂。

對于只是用途不同，牌號、狀態(tài)、尺寸范圍等都相同的銅產(chǎn)品，建議不同拉伸標準采用相同的試驗參數(shù)，以提高檢驗效率、試驗結(jié)果的可比性。建議GB/T 34505-2017在試樣打磨、平行長度最大值、機加工試樣可向中心縮減等要求。建議GB/T 228.1-2010在修訂時刪除原始標距最小值，擴大尺寸適用范圍，對有色金屬的取樣、試樣制備和拉伸速率控制方式等作單獨要求。通過不同銅產(chǎn)品不同標準的對比及探討，有利于使用者更準確地解讀標準和更好地應(yīng)用標準。