速率速率测试

拉伸、冲击和硬度试验方法国际标准的修订和问题李和平(宝钢工业检测公司品检中心,上海200941)摘要:介绍了ISO/TC164技术委员会对于拉伸和冲击试验方法标准的修订及执行中涉及的问题;另外还介绍了硬度试验方法标准主要的修订内容和原因以及仪器化压痕试验方法测试拉伸性能的研究工作.
关键词:拉伸试验;夏比冲击试验;硬度试验;国际标准中图分类号:TG115.
5文献标志码:A文章编号:10014012(2010)06036905犐犿狆狉狅狏犲犿犲狀狋狅狀犜犲狀狊犻犾犲,犐犿狆犪犮狋犪狀犱犎犪狉犱狀犲狊狊犜犲狊狋犕犲狋犺狅犱狊犫狔犐犛犗犪狀犱犘狉狅犫犾犲犿狊犱狌狉犻狀犵犆犪狉狉狔犻狀犵狅狌狋狋犺犲犕犲狋犺狅犱狊犔犐犎犲狆犻狀犵(QualityTestingandInspectionCenter,ShanghaiBaosteelIndustryInspectionCorp.
,Shanghai200941,China)犃犫狊狋狉犪犮狋:Theimprovementontensilemethod,CharpyimpacttestmethodaswellashardnesstestmethodsstandardswhichareunderthejurisdictionofISO/TC164isintroduced.
Theproblemsduringcarryingoutthetensilemethodandimpactmethodstandardsarealsodiscussed.
犓犲狔狑狅狉犱狊:tensiletest;Charpyimpacttest;hardnesstest;internationalstandardISO/TC164技术委员会对于所负责的试验方法标准先后多次进行了修订,其中对于拉伸、冲击和硬度试验方法的修订较大.
在执行这些标准时,会遇到一些问题需要进行分析.
例如,对于拉伸试验方法标准中应力速率的规定存在不同的理解,根据不同的理解会采用不同的拉伸速率,从而影响测试结果,因此需要分析各种理解的理由和问题,为合理选择测试条件提供依据.
冲击试验标准涉及两种摆锤的冲击试验机,两种冲击试验机的测试结果是否一致是执行这个标准前需要关注的问题;另在什么情况下需要采用V形缺口冲击标准试样校验冲击机,也是执行冲击试验标准时需要明确的问题.
而硬度试验方法标准的修订完善在多个方面起了示范作用.
为了能更好地执行这些标准,笔者分别对拉伸和冲击试验方法标准的修订及执行中涉及的问题收稿日期:20090901作者简介:李和平(1955-),男,教授级高级工程师.
进行了讨论,对硬度试验方法标准修订中的改进完善内容进行了介绍.
1对于拉伸试验方法标准中应力速率的不同理解而引起的问题室温拉伸试验方法广泛用于测试金属材料的力学性能,拉伸速率对于很多材料的测试结果有显著影响.
过去由于受设备控制能力的限制,标准中规定的拉伸速率范围的上下限之比通常为10倍,如ISO6892-1998中规定的测量上屈服的应力速率和测量下屈服或同时测量上下屈服的应变速率范围的上下限之比都是10倍;对于只规定最大速率而没有写明速率范围的情况,ASTMA370中进一步明确规定"在任何情况下,测量屈服点或者屈服强度和抗拉强度的最小试验速率不应低于规定的最大速率的1/10".
而随着传感器和计算机控制技术应用到拉伸机中,速率控制精度得到大幅度提高,已经有条件把拉·963·李和平:拉伸、冲击和硬度试验方法国际标准的修订和问题伸速率控制在较小的范围内;另一方面,拉伸速率会显著影响很多材料的测试结果,允许的速率范围太大不利于测试结果的再现性.
为了改善拉伸试验结果的再现性,一些钢铁和汽车企业采用了在上述标准中规定范围内规定一个指定速率的方法,如规定测试屈服强度采用位移速率为5%犔cmm·min-1(犔c为哑铃型试样的平行长度),对应的名义应变速率为0.
00083s-1;规定测试抗拉强度采用位移速率为40%犔cmm·min-1.
这个指定的速率既在ASTMA370规定的范围之内又在ISO6892规定的范围之内,并且因为采用指定速率,排除了在标准规定范围内因采用不同速率而引起的测试结果的差异,改善了拉伸试验结果的重复性和再现性.
另一方面,为了解决同样的问题,欧洲钢铁标准化委员会的第一技术委员会第一工作组(ECISS/TC1/WG1)提出了用应变速率定义拉伸试验的速率,并提出测量上屈服强度和非比例伸长0.
2%的屈服强度采用(0.
00025±20%)s-1的速率,测量下屈服强度采用0.
0002~0.
002s-1的速率[1].
ECISS/TC1/WG1把上述建议提交到国际标准化组织拉伸试验分技术委员会,因此ISO6892新标准采用了保留原来标准的规定作为方法B,新提出了方法A,在方法A中推荐测试屈服强度采用名义应变量(0.
00025±20%)s-1的速率,测试抗拉强度采用名义应变量为(0.
0067±20%)s-1的速率.
上述两种改善测试结果再现性的方法,采用测试抗拉强度的速率相同,而测试屈服强度的速率却存在显著差别,两种速率之比达到3.
3,对于对拉伸速率敏感的材料,两种速率条件得到的屈服强度测试结果必然会有显著差异.
之所以出现两种测试屈服强度的速率,来源于对标准中应力速率的不同理解.
在ISO6892中规定测试钢铁的应力速率为6~60MPa·s-1,ASTMA370中规定测试的应力速率为1.
15~11.
5MPa·s-1.
对于应力速率可以有三种理解:①从试验开始到测试出屈服强度采用闭环控制方法的实时应力速率;②实际采用应变或者横梁位移控制方式条件下线弹性段的应力速率;③采用横梁位移或者应变控制方式下从速度稳定开始到测试出屈服强度时间段的平均应力速率.
从字面上看,第一种理解最符合标准中的文字,可是ASTME8却注明在许多情状下这种控制方法是不可行的,ASTMA370中也注明采用闭环控制的拉伸机不应采用应力速率控制方式,也就是说拉伸试验不应采用实时应力速率控制方式.
第二种理解方法虽然便于实施,但是在理论和实际中都存在缺陷,主要存在四个方面的问题:①理论上在线弹性阶段试样只发生弹性变形,力的传播速度与声波速度相同,因拉伸速度达不到声波速度,所以拉伸速率不影响测试结果;而过了弹性段到测出屈服强度的弹塑性变形范围段的拉伸速率却会影响测试结果,而按照第二种理解,标准在不需要控制应力速率的范围要求控制应力速率而在真的需要控制应力速率的范围反而不按照标准要求控制应力速率,显得不合理.
②在试验方法标准中同时规定了不同的控制方式时,这种理解方法会使同一个标准中不同的控制方法测试结果不一致.
比如说按照ASTMA370中7.
4.
1规定从屈服强度的一半到测出屈服强度的范围采用位移速率(1/160犔c~1/16犔c)mm·min-1(对应的名义应变速率为0.
0001~0.
001s-1),而该标准7.
4.
3规定如果采用应力速率(只适用于不具备闭环控制的拉伸机),同样范围采用的应力速率为70~690MPa·min-1.
把应力速率按照第二种理解方法理解换算为应变速率仅为0.
000006~0.
00006s-1,应变速率差别这么大,对于对拉伸速率敏感的材料,测试结果会有显著的差异.
③这样的理解方法与规定应力速率的历史不符.
因为在拉伸机还不能进行闭环控制的时候,拉伸试验标准规定应力速率,当时的应力速率控制是先通过调整拉伸机的进油阀门调整试验机速率适当后,不再调整油阀,记录稳定速度后到测出屈服的时间和载荷差,计算这个过程的平均应力速率,那时候的拉伸机不能够测量和记录线弹性阶段的应力速率.
④这样理解"应力速率"难以解释标准中的一些条款,比如:GB228-2002和ISO6892-1998的10.
1.
1.
4都要求应力速率应在表4规定范围之内,又规定"在塑性范围和直至规定强度应变速率不应超过0.
0025s-1";而按照第二种理解方法,表4规定的应力速率对应的应变速率不到0.
0003s-1,标准规定应变速率不应超过0.
0025s-1,表明应力速率不是指弹性段的应力速率.
第三种理解方法,虽然没有第二种理解的那些问题,但是在ISO6892中没有明确的表述,只有ASTMA370的7.
4节给出了较明确的表述,而且也存在规定的应力速率范围不清晰、实际测试结果·073·李和平:拉伸、冲击和硬度试验方法国际标准的修订和问题的再现性较差等缺陷.
正因为应力速率存在这些问题,采用名义应变速率规定拉伸速率成了共识;但是由于对于应力速率理解的不同,导致了采用不同的应变速率.
ASTME8在7.
6.
2.
2条中给出了应力速率的定义,按照这个定义,应力速率应该是实时的应力速率;而对于不具备实时测控应力速率的拉伸机,应力速率可以是平均应力速率.
但是,在这个标准的注18中又注明采用实时应力速率在很多情况下不可行,可行的简单办法是采用横梁位移速率控制方式,既举了一个控制横梁位移速率使弹性段应力速率达到规定值的例子,又举了通过控制横梁位移速率使屈服前的应力速率接近想要的应力速率的另一个例子.
使不同理解和不同做法都有理由.
ASTMA370中7.
4节规定的主要是横梁位移速率,应力速率只是不具备闭环控制功能的拉伸机可采用的速率控制方法,是指从屈服强度的一半到屈服强度的平均应力速率.
ISO6892中没有明确应力速率是指弹性段的应力速率还是指平均应力速率,但是方法A的起草人是把应力速率理解为弹性段应力速率而规定应变速率的.
2不同速率对于屈服强度测试结果的影响2009年4月24日,在GB228终审会之前,某著名试验机公司在首钢技术中心向参会代表演示了四种不同拉伸速率对于屈服强度测试结果的影响,结果如表1所示.
从表1中的结果看,60MPa·s-1应力速率条表1不同名义速率下的实际速率和测试结果Tab.
1Actualrateandtestresultsunderdifferentnominalrate首钢演示结果标样验证结果名义速率犚p0.
2/MPa犛e/(MPa·s-1)犛m/(MPa·s-1)犛mh/(MPa·s-1)犚m/s-1犚p0.
2/MPa60MPa·s-1138.
556.
420.
714.
20.
00041151.
76MPa·s-1132.
45.
72.
41.
50.
00005145.
50.
00025s-1135.
054.
411.
47.
10.
00023148.
50.
00083s-1140.
975.
226.
919.
20.
00054152.
9件下测试的屈服强度低于名义应变速率0.
00083s-1条件下测试的结果,为了查明原因,导出应力速率控制方式的原始数据文件分析,发现应力速率控制条件下是弹性应力速率(犛e),只是在拉伸曲线的弹性范围内的直线部分基本符合设定的应力速率,实际的应力速率在拉伸曲线直线部分终点到屈服强度对应点的范围内应力速率迅速下降,分别计算开始拉伸到屈服强度的平均应力速率(犛m)和从屈服强度的一半到屈服强度的平均应力速率(犛mh)也列于表1,表1中的犚m表示从开始拉伸到屈服强度的平均应变速率.
分析不同的应力速率可以找到60MPa·s-1应力速率条件下测得的屈服强度低于应变速率0.
00083s-1条件下测得的结果的原因,实际影响测试结果的不是弹性应力速率(犛e)而是从屈服强度的一半到屈服强度的平均应力速率(犛mh),设定犛e为60MPa·s-1,实际的犛mh只有14.
2MPa·s-1,低于设定应变速率0.
00083s-1条件下的犛mh(19.
2MPa·s-1).
因为这次演示试验采用的是普通冷轧钢板试样,测试结果除了速率的影响之外还有材料不均匀的因素存在.
为了排除材料不均匀性的影响,采用均匀性和稳定性都非常好的无时效薄板拉伸标样重复了上述四种条件下的拉伸试验,结果也列在表1中.
因为无时效薄板拉伸标样经过多个试验室连续五年多的每月测试,证明这种标样均匀性很好而且性能长期不变,所以可以认为用这种标样验证的测试结果变化是由速率变化引起的.
为了验证弹性段的应力速率犛e是否影响屈服强度的测试结果,采用无时效薄板拉伸标样,分别设定犛e为6MPa·s-1和60MPa·s-1,并设定应力达到100MPa时,切换为名义应变速率0.
00083s-1的横梁位移控制方式,测试结果如表2所示.
可见弹性段速率不影响测试结果.
ASTM和ASME钢铁产品的标准所引用的拉伸试验标准主要是ASTMA370,该标准规定的测试屈服强度的位移速率对应的名义应变速率为0.
0001~0.
001s-1.
ISO6892规定同时测试上下屈服强度的应变速率范围是0.
00025~0.
0025s-1.
一些钢铁和汽车企业采用名义应变速率0.
00083s-1测试各项屈服指标,兼顾不同标准的要求.
ISO6892新标准新增方法A,推荐测试屈服强度的应变速率是0.
00025s-1.
为了验证新增·173·李和平:拉伸、冲击和硬度试验方法国际标准的修订和问题表2采用无时效薄板拉伸标样验证弹性段速率是否影响测试结果Tab.
2Effectoftheatelasticrangeontheteniletestresultswithnonagingthinsteelpuatestandardtensilesamples标样号犚p0.
2/MPa犚m/MPa测试条件弹性段速率测试屈服速率/s-1测试抗拉速率/s-182B3152.
2293.
36MPa·s-10.
000830.
006782B4153.
4295.
260MPa·s-10.
000830.
0067标称值1532960.
00083s-10.
000830.
0067方法A测试结果与原方法测试结果的偏差,用无时效薄板拉伸标样按照方法A进行测量,测得屈服强度犚p0.
2为148.
5MPa,比这种标样的标称值(采用0.
00083s-1应变速率测试)低4.
5MPa,相对误差约3%.
在采用同时给出了方法A和方法B的ISO6892或者GB228新标准之前,需要注意到两种测试方法所得屈服强度存在的差异和原因,测试时也要根据测试对象选择适用的方法.
否则,突然改变测试速率会误导用户.
3冲击试验方法标准的变化及正在研究的问题2006年版的夏比冲击试验方法标准ISO1481与1983年版的技术内容有了重大变化,除了原来冲击刀刃曲率半径为2mm的冲击机之外,增加了冲击刀刃曲率半径为8mm的冲击机;通过引用标准规定了每年至少要用两种能量等级的V形缺口冲击标样校验冲击机.
两种冲击机测试结果(犓V2和犓V8)的相对高低,有矛盾的结论:文献[2]的结论是犓V2能够高于犓V8,文献[3]的结论是犓V8高于犓V2,文献[4]的结论是犓V2和犓V8相差很小,甚至小于两种品牌的冲击机之间的差别.
为了能够得出一个比较合理的结论,ISO/TC164/SC4p分技术委员会成立了一个工作组开展研究工作,目前的初步结论是:在冲击吸收能和温度曲线的不同区间犓V2和犓V8存在不同关系,在下平台区(试样脆性断口),犓V2和犓V8几乎相等;在脆性转变区尤其是脆性断口比例高的范围,犓V2能够高于犓V8;在上平台区(试样塑性断口)并且试样断为两段的条件下,犓V2和犓V8几乎相等;在上平台区并且试样部分断开部分弯曲的条件下,犓V8高于犓V2.
ASTM标准早就要求每年采用V形缺口冲击标样校验冲击机,而ISO1481是1996年版才开始这样要求.
我国的试验室执行这项规定时存在困难,出现了不同的情况:少数试验室采用进口(主要是NIST)的V形缺口冲击标样;个别试验室采用NIST的V形缺口冲击标样校验一台冲击机,用这台冲击机给无证的V形缺口冲击标样定值,再用这种无证的V形缺口冲击标样校验其他冲击机;还有一些试验室采用无缺口或者弧形缺口冲击标样校验冲击机;还有一些试验室并没有采用冲击标样校验冲击机.
如果测得的冲击吸收能比合格限富裕很多,或者无质量异议的试验室不采用V形缺口标样校验可能问题不大;但是,如果发生了争议,不采用V形缺口冲击标样校验冲击机,在执行标准方面就出现了缺陷.
文献[5]介绍了法国过去曾经采用不开缺口的冲击标样后来采用V形缺口冲击标样校验冲击机;国内的文献[6]也提供了用NIST的V形缺口冲击标样校验不合格的冲击机而用弧形缺口冲击标样校验完全合格的案例.
4硬度试验方法标准的修订完善目前的硬度试验国际标准已经把早先标准中的钢球换成了硬质合金球,这项改变的原因是一些校验机构发现采用钢球的硬度计测试结果有严重偏差,进一步调查发现是由于钢球变形引起的,所以目前标准上取消了钢球只能采用硬质合金球.
硬度试验国际标准的另外一项改进是重新规定了主载荷的保持时间.
过去曾经认为主载荷保持时间达到一定长度后测试结果趋于稳定,后来的研究发现实际情况并不如此,硬度值会随着载荷保持时间的延长而变化;所以可行的方法应该是把主载荷保持时间规定在合适的范围之内.
目前洛氏硬度规定的主载荷保持时间是(4±2)s;布氏和维氏硬度默认的主载荷保持时间是10~15s,需要时可以采用更长的保持时间,但是需要在测试结果中标明主载荷保持时间.
硬度试验国际标准的另一项改进是提出了根据测试标准物质和被测物质的数据测算测试结果的测量不确定度方法.
过去通常根据《测量不确定度表示指南》评估测量不确定度,原则上只要对于各种影响测量不确定度的因素不遗漏不重复评估就可得到正确的测量不确定度,但是对于硬度、拉伸、冲击试验等·273·李和平:拉伸、冲击和硬度试验方法国际标准的修订和问题测试结果与过程有关的项目,常常遇到两个问题难以克服:①有些因素明知道会影响测试结果但不能够定量确定影响的大小;②评估时遗漏一些不知道但是客观存在并且影响较大的因素.
硬度试验标准采用的根据标准物质和被测物质测试结果测算测量不确定度的方法解决了这个难题,并被其他标准借鉴.
在试验标准文字内容改进的同时,一些先进的硬度计公司改变了传统的硬度计加载、压痕深度测量和控制方式,在采用计算机控制条件下,用载荷传感器和伺服马达实现施加测量和反馈控制载荷,用位移传感器实现测量和反馈控制压痕深度,实现了灵活和准确的控制方式,压痕深度测量也可达到传统方式达不到的精度,可以记录测量过程的原始数据,从而可以计算得到任何明确定义的新指标.
硬度试验方法的另外一项进步是用仪器化压痕试验方法测试金属材料的拉伸性能[7],工作组召集人DongilKown先生的团队在研究仪器化压痕试验方法应用方面做了很多工作,不仅用来测试拉伸性能[8]还用来测试残余应力[9],但是,工作组内的德国专家曾对韩国提交的方法测量结果的准确性提出了质疑,工作组内的德国专家和英国专家分别提出了用仪器化压痕试验方法测试金属材料的拉伸性能的方法,但是,他们的方法也没有得到其他人的广泛验证其测试结果的可靠性.
虽然韩国最初希望将这部分内容作为国际标准ISO14577的第五部分,但经过几年的工作后,还是只能作为技术报告发布包含了韩英德分别提出的三种方法.
但是,这项技术值得关注,只要能够以可接受的不确定度测试拉伸指标,对于评估那些不能通过拉伸试验测试的材料的性能将非常有帮助.
例如,可用来评估焊缝的拉伸性能从而为优化焊丝和焊接工艺等提供定量数据.
致谢:徐惟诚、岑晓燕等同事帮助进行了许多验证工作,在此表示感谢!
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